Lebenszyklus einer Weissblechdose
Vom Eisenerz zum Feinblech
Schüler/innen-Modul I
Anleitung
Lösen Sie bitte folgende Aufgaben:
* Lesen Sie die vorliegenden Texte sorgfältig durch.
* Führen Sie für die einzelnen Produktionsschritte vereinfachte Energie- und Stoffbilanzen durch. Vervollständigen Sie zu diesem Zweck das Lösungsblatt am Schluss der Unterlagen mit den Rubriken Rohstoffe, Energie (Verfahrens- und Transportenergie) sowie Abfälle. Die dazu notwendigen Zahlen können Sie den Texten entnehmen.
* Arbeiten Sie ihre Ergebnisse so auf, dass Sie sie in der folgenden Stunde Ihren Mitschüler/innen die einzelnen Produktionsschritte erklären und die Energie- und Stoffbilanzen präsentieren können.
* Teilen Sie die Arbeit innerhalb der Gruppe sinnvoll auf.
Alle Angaben beziehen sich auf 100 Halbliter-Weissblechdosen, die
6.1 kg Weissblechabfall ergeben. Dies entspricht etwa dem Jahresverbrauch
eines Einwohners in der Schweiz [1]
Verfahrensbeschreibung: Vom Eisenerz zum Feinblech
Feinblech besteht zum grössten Teil aus Eisen. Dieses wird aus Eisenerzen
gewonnen, die im wesentlichen aus Eisenoxiden bestehen. Die Reduktion, d.h.
das Entfernen des Sauerstoffs geschieht heute zum grössten Teil im
Hochofen. Das flüssige Roheisen aus dem Hochofen muss anschliessend
gereinigt werden, bevor es gegossen und in grossen Walzwerken zu Feinblech
gewalzt wird (vgl. auch das beiliegende Lösungsblatt der Energie- und
Stoffbilanzen)
1. Abbau von Eisenerz
Eisen kommt in der Natur nicht in reiner Form, sondern nur in Form von chemischen
Verbindungen vor. Am häufigsten sind Eisenoxide, die jedoch immer mit
Verunreinigungen - der sog. Gangart - vermischt sind. Diese Eisenerz-Vorkommen
sind über die ganze Erde verteilt (siehe Abb. 1) und werden im Tagebau
und Tiefbau (Untertagebau) gewonnen. Dort, wo die als abbauwürdig erkannten
Eisenerzlagerstätten offen zutage treten, kann das Erz im weniger aufwendigen
Tagebau gewonnen werden. Heute wird Eisenerz hauptsächlich in Südamerika,
Australien und Kanada auf diese Weise abgebaut (siehe Abb. 2).
Vom Bergwerk gelangt das Eisenerz selten unmittelbar zu den Lagerplätzen der Hütten. Meist müssen erst weite Transportwege auf dem Land und über See mit mehrfachem Umladen überwunden werden.
Abb. 1: Eisenerz-Vorkommen der Welt
Für die Herstellung von 100 Konservendosen braucht es durchschnittlich:
* 15.6 kg Roherz, wovon nach dem Abbau 6.5 kg Abfall (Abraum) übrigbleiben
* 1.5 MJ [2] an elektrischer und 5.0 MJ fossiler Energie
für den Abbau.
* 13.2 MJ an fossiler Energie für den Transport von der Erzlagerstätte
zu den Eisenhütten
Abb. 2: Abbau von Eisenerz im Tagebau in Brasilien
2. Aufbereitung des Erzes
Zur erfolgreichen Reinigung des Roherzes muss dieses bis zum Aufschlusspunkt
zerkleinert werden. Dieser Vorgang erfolgt in verschiedenartigen Brechern,
die das Erz immer feiner brechen, bis es schliesslich gemahlen wird, und
die einzelnen Komponenten freigelegt werden.
Bei der anschliessenden Reinigung des Feinerzes nutzt man die spezifischen physikalischen Eigenschaften von Erz und Gangart aus: Dichte, Benetzbarkeit und magnetische Eigenschaften.
Durch geeignete Hintereinanderschaltung von Sieben unterschiedlicher Maschenweite lässt sich eine Trennung des gereinigten Feinerzes in mehrere Kornklassen erreichen. Durch Angabe des prozentualen Anteils verschiedener Korngrössenklassen erhält der Hüttenmann den besten Aufschluss über das vorhandene Kornband und damit über die Verarbeitbarkeit der gebrochenen und gesiebten Erze.
Für die Herstellung von 100 Konservendosen braucht es durchschnittlich:
* 0.1 MJ an elektrischer Verfahrensenergie für die verwendeten Maschinen.
* 0.1 MJ an fossiler Energie für den werkinternenTransport
* Abfall (Abraum): 6.5 kg
3. Sintern des Feinerzes
Die in einem Hochofen verwendeten Erze brauchen eine gewisse Grösse,
damit die eingeblasenen Gase durch das Reaktionsgemisch nach oben gelangen
können. Das an die Eisenhütte gelieferte Feinerz muss daher zuerst
zu grösseren Stücken zusammengebacken werden. Dieser Vorgang wird
als Sintern bezeichnet.
Das Sintern wird heute im allgemeinen auf Bandsinteranlagen durchgeführt, die Bandbreiten von mehr als 4 m und Bandlängen von 100 m aufweisen können.
Dazu wird eine Mischung aus angefeuchtetem Feinerz zusammen mit Koks und Hilfsstoffen wie Kalk bzw. Calciumoxid auf einen umlaufenden Rost, das Sinterband, gegeben und von oben gezündet (sog. "Zuschläge"). Der in der Mischung enthaltene Kohlenstoff aus dem Koks verbrennt mit Hilfe der durch den Rost und die Mischung gesaugten Luft und bewirkt ein Zusammenbacken der Erzkörner. Wahrend des Transports auf dem Sinterband wird die gesamte Schicht von oben nach unten gesintert.
Für die Herstellung von 100 Konservendosen braucht es durchschnittlich:
* 1 kg an Zuschlägen
* 2.9 MJ elektrische und 16.4 MJ fossile Energie für den Sinterprozess
* 0.1 MJ elektrische und 0.1 MJ fossile Energie für den Transport der
Hilfsstoffe und den werkinternen Transport
Nach dem Sintern muss 1 kg Sinterabfall entsorgt werden.
4. Die Herstellung von Roheisen im Hochofen
Brennstoffe und Reduktionsmittel
Die zur Verhüttung der Eisenerze benötigten Brennstoffe und
Reduktionsmittel werden als Koks, Kohle, Oel oder Gas in den Hochofen eingebracht.
Ihr Einsatz dient vor allem dazu, den Eisenoxiden den Sauerstoff zu entziehen,
d.h. es zu Roheisen zu reduzieren, und die zum Schmelzen des Eisens notwendige
Energie zuzuführen.
Das wichtigste Reduktionsmittel ist der Koks. Dieser wird aus schwefelarmer
Kohle gewonnen, die unter Luftabschluss während 15 - 20 Stunden bei
Temperaturen von ca. 1000¡ C erhitzt wird. Dabei werden die flüchtigen
Bestandteile - Koksofengas, Teer, Benzol, Schwefelwasserstoff, Ammoniak
- ausgetrieben, aufgefangen und anderer Verwendung zugeführt.
Ein Teil des Kokses im Hochofen kann durch die billigeren Brennstoffe
Kohle, Oel oder Gas ersetzt werden. Ein vollständiger Ersatz von Koks
ist jedoch nicht möglich, da die mechanische Festigkeit, die zur Durchlässigkeit
des Reaktionsgemisches im Hochofen notwendig ist, von anderen Reduktionsmitteln
nicht erreicht wird.
Zuschläge
Die Arbeitstemperatur des Hochofens liegt etwa bei max. 1800¡C. Bei dieser Temperatur würde die gebildete Schlacke, die einen Schmelzpunkt von bis zu 2000¡C aufweist, in fester Form anfallen. Da die Schlacke in dieser Form nur schlecht vom Roheisen abgetrennt werden könnte, werden Hilfsstoffe (sog. Zuschläge) zugegeben, die den Schmelzpunkt der Schlacke auf 1300 bis 1400¡C senken. Auf diese Weise wird eine dünnflüssige Schlacke erzeugt, welche zusätzlich die unerwünschten Begleitelemente Silizium, Aluminium, Phosphor und Schwefel aufnimmt. Die wichtigsten Zuschlagstoffe sind Kalk und Calciumoxid, Aluminiumoxid, Flussspat und Quarz.
Abb. 3: Vorgänge im Hochofen
Vorgänge im Hochofen
Das Eisenerz, der Koks und die Zuschläge werden mit einem Förderband
von oben in den bis zu 35 m hohen Hochofen eingebracht. Die notwendigen
Temperaturen werden erzeugt, indem im unteren Teil des Ofens durch eine
Ringleitung im Winderhitzer vorgewärmte Luft eingebracht wird. Dabei
reagiert der mitgeführte Sauerstoff in einer exothermen Reaktion mit
Koks zu Kohlenmonoxid (CO).
Im Hochofen werden vier Zonen unterschieden:
Vorwärmzone: Hier wird das eingebrachte Gemisch getrocknet. Das oben austretende Gasgemisch, das die brennbaren Gase Wasserstoff und CO enthält, wird als sog. Gichtgas aufgefangen und im Winderhitzer zur Erwärmung der eingeblasenen Luft verwendet.
Reduktionszone: In der sog. indirekten Reduktion gibt das Eisenerz die Sauerstoffatome an das von unten aufströmende CO ab, das dadurch zu CO2 oxidiert wird. Das dabei gebildete Eisen sickert nach unten, bis es durch die höheren Temperaturen schmilzt.
Kohlungszone: Das CO reagiert bei den hier vorliegenden tieferen Temperaturen teilweise zu CO2 und Kohle, die nach unten sickert und die Reaktionen in der Schmelzzone ermöglicht.
Schmelzzone: Hier findet aufgrund der hohen Temperaturen von 1200-1800¡C
die sog. Direktreduktion statt: die Eisenoxide geben die Sauerstoffatome
direkt an Kohle ab und werden so zu metallischem Eisen reduziert. Dieses
ist bei der hohen Temperatur flüssig und sammelt sich aufgrund der
hohen Dichte unten an.
Im unteren Teil des Hochofens sammeln sich das flüssige Roheisen und
die flüssige Schlacke, die aufgrund der geringeren Dichte auf dem Roheisen
aufschwimmt. Roheisen und Schlacke werden in regelmässigen Abständen
von 2-4 Stunden "abgestochen" und in wärmeisolierten "Pfannen"
getrennt aufgefangen.
Die grössten Hochöfen der Welt erzeugen mehr als 11'000 t Roheisen
pro Tag.
Das Roheisen enthält ca. 4% Kohlenstoff und andere Verunreinigungen
und ist dadurch spröde. Es kann zwar direkt als Gusseisen verwendet
werden, muss aber gereinigt werden, um die elastische Konsistenz zu erreichen,
die zur Herstellung von Feinblech notwendig ist. Dieser Vorgang, der zur
Stahlherstellung führt, wird als "Frischen" bezeichnet und
findet in der Regel beim Stahlwerk statt. Der Transport des flüssigen
Roheisens vom Hochofen zum Stahlwerk geschieht meist mit wärmeisolierten
"Pfannen" mit der Eisenbahn.
Für die Herstellung von 100 Konservendosen braucht es durchschnittlich:
* 0.2 kg an Zuschlägen
* 5.5 MJ elektrische und 124.1 MJ fossile Energie für die Reduktion
im Hochofen. In diesem Wert ist der Koks für die Reduktion inbegriffen.
Für das Gichtgas, dessen Energie genutzt werden kann, können 5
MJ an fossiler Energie abgezogen werden.
* 0.9 MJ elektrische und 1.1 MJ fossile Energie für den werkinternen
Transport
Nach dem Reduktionsprozess muss 1.5 kg Hochofenschlacke entsorgt werden.
5. Das Frischen des Roheisens zu Stahl
Beim Frischen werden die Verunreinigungen des Roheisens mit reinem Sauerstoff
oxidiert, der mit hohem Druck durch die Sauerstofflanze in das flüssige
Roheisen eingeblasen wird, das vorher in den sog. Sauerstoffblaskonverter
eingefüllt wurde. Der Kohlenstoff wird dabei in gasförmiges Kohlenmonoxid
(CO) umgewandelt, das entweicht. Die entstehenden schwerflüchtigen
Oxide sammeln sich in der Schlacke an, die wie beim Hochofen durch Zugabe
von Zuschlägen (v.a. Kalk) verflüssigt wird und auf dem Eisen
aufschwimmt (siehe Abb. 4).
Die Konverter fassen etwa 200 t Stahl und müssen aufgrund der hohen Temperaturen nach etwa 1000 Giessvorgängen ausgewechselt werden.
Für die Herstellung von 100 Konservendosen braucht es durchschnittlich:
* 0.2 kg an Zuschlägen
* 2.9 MJ elektrische und 1.9 MJ fossile Energie.
* 0.9 MJ elektrische und 1.1 MJ fossile Energie für den werkinternen
Transport
Nach dem Frischen muss 1 kg Schlacke entsorgt werden.
Abb. 4: Der Vorgang des Frischens im Sauerstoffblaskonverter
Die Verwendung von Schrott
Die im Sauerstoffblaskonverter ablaufenden Reaktionen sind stark exotherm.
Damit die Temperaturen nicht zu hoch werden, wird das Eisenbad durch Zugabe
von Eisenschrott gekühlt. Der Eisenschrott macht etwa 20% des Gesamteisens
aus. Verarbeitungsschrott, der wegen seiner guten Qualität besonders
gern verwendet wird, fällt bei der Herstellung von Walzstahl bei den
Hüttenwerken selbst und in der stahlverarbeitenden Industrie an.
Da dies kein Weissblechschrott ist, der in Haushalten gesammelt wird, handelt es sich hier nicht um ein echtes Weissblechrecycling.
Für 100 Konservendosen werden umgerechnet 0.8 kg Schrott verwendet
6. Vergiessen des Stahls: Strangguss
Abb. 5 : Zwei Brammen verlassen die Stranggussanlage
Heute wird Stahl in der Regel nicht mehr portionenweise im Blockguss, sondern kontinuierlich in Stranggiessanlagen gegossen. Dadurch erstarrt der Stahl gleichmässiger, seine Qualität ist besser, und das Verfahren ist schneller und somit auch kostengünstiger. Die Stranggiessanlagen befinden sich meistens im Stahlwerk. Die Giesspfanne mit dem flüssigen Stahl wird dabei in den Pfannendrehturm eingehängt, der zur Giessvorrichtung gedreht wird. Dort fliesst der Stahl durch einen Zwischenbehälter in die Giesskokille, die senkrecht schwingt, damit der Stahl nicht an der Wand festhaftet. Während er weiter in einem Bogen von der Treib-/Richtmaschine durch die Kühlkammer gezogen wird, muss er ständig von Rollen abgestützt und mit Wasser abgespritzt werden, damit er am Ende der Giessanlage vollständig erstarrt ist. Anschliessend wird er durch Schneidbrenner in Brammen zerteilt; das sind Stahltafeln, die 1.20 m breit und 25 cm dick sind und etwa 25 t wiegen (siehe Abb. 5 und 6).
Für die Herstellung von 100 Konservendosen braucht es durchschnittlich:
* 1.8 MJ elektrische und 1.8 MJ fossile Energie für den Giessvorgang.
* 0.6 MJ fossile Energie für den werkinternen Transport
Beim Giessvorgang entstehen 0.2 kg Abfall.
Abb. 6: Schema einer Stranggussanlage für Brammen
7. Die Formgebung des Stahls: Auswalzen
Das Auswalzen der Brammen geschieht im Stahlwerk meist direkt nach dem Strangguss.
Dabei werden die Brammen zunächst bei Temperaturen um 1000¡C
bis zu einer Höhe von 1.5 mm warmgewalzt und dann bei Raumtemperatur
bis zur endgültigen Höhe von 0.2 mm kaltgewalzt.
Walzen werden durch die grossen Verformungskräfte schnell verschleisst.
Sie bestehen meist aus Gusseisen und werden von Stützwalzen gestützt
(siehe Abb. 7)
Abb. 7: Vierwalzengerüst
a) Warmwalzen:
Eisen ändert beim Abkühlen etwa bei 900¡C sein Kristallisationsgitter
und wird dabei vom [gamma]-Eisen (Austenit) zum [alpha]-Eisen (Ferrit) umgewandelt.
Der Vorteil des Warmwalzens oberhalb der Kristallisationstemperatur bei
etwa 1000¡C besteht darin, dass der Stahl beim Abkühlen ungestört
in die Ferrit-Form auskristallisieren kann. Dadurch entstehen keine Verzerrungen
des Kristallisationsgefüges und der Stahl bleibt elastisch. Zudem ist
der Walz-Widerstand des Stahls geringer, was Energieeinsparungen ermöglicht
und den Verschleiss der Walzen vermindert. Allerdings müssen die Brammen
vorher im Stossofen erwärmt werden (siehe Abb. 8). Dabei werden die
Brammen langsam von oben nach unten transportiert, um einen kontinuierlichen
Prozess zu ermöglichen.
Im Zunderwäscher werden sie durch eine basische Lösung von Brennrückständen gereinigt und im Vorgerüst vorgewalzt (siehe Abb. 9). Vor der Fertigstrasse entfernt die Schopfschere unregelmässige Ränder, worauf sie nochmals von einem Zunderwäscher gereinigt werden. In der Fertigstrasse werden sie schrittweise bis auf eine Höhe von 1.5 mm flachgewalzt. Dabei muss darauf geachtet werden, dass sich die Transportgeschwindigkeit durch die Vervielfachung der Länge drastisch erhöht.
Abb. 8 : Schema einer Warmwalzanlage
Nach dem Warmwalzen wird das Blech mit Wasser abgekühlt, zum Schutz
der Oberfläche eingeölt und auf Rollen aufgehaspelt.
Für die Herstellung von 100 Konservendosen braucht es durchschnittlich:
* 0.01 kg Walzöl, kleine Mengen an Säuren und Entfettungsmittel
* 5.4 MJ elektrische und 20.3 MJ fossile Energie. Der hohe Wert für
die fossile Energie wird vor allem durch den hohen Energiebedarf des Stossofens
verursacht.
* 0.6 MJ fossile Energie für den werkinternen Transport
Nach dem Warmwalzen müssen 0.3 kg Abfall entsorgt werden.
b) Kaltwalzen
Die endgültige Dicke des Feinblechs von 0.2 mm kann nur beim Kaltwalzen erreicht werden, da die leichtere Verformbarkeit des Stahlblechs bei höheren Temperaturen zu Unregelmässigkeiten der Blechdicke führen würde. Allerdings ist der Walzwiderstand des Stahlblechs dadurch wesentlich grösser, was zu einem grossen Verschleiss der Walzen führt (siehe Abb. 10). Um den Widerstand zu verringern und eine gleichmässigere Dicke zu erreichen, wird das Feinblech vor dem Walzen eingeölt.
Abb. 9 : Walzgerüst einer Kaltwalzanlage. In der Mitte die vielfach abgestützten, dünnen Arbeitswalzen
Zudem muss das Feinstblech nach dem Walzprozess nochmals ausgeglüht werden, damit sich das Kristallgitter des Eisens beim Abkühlen wieder regelmässig anordnen kann. Vor dem Ausglühen muss das Feinstblech in einem Laugenbad vom Schmieröl befreit werden.
Das schliesslich 15 km lange und 0.2 mm dicke Feinblech-Band wird mit
einer Geschwindigkeit von 130 km/h aufgehaspelt und als Korrosionsschutz
eingeölt. Die Rollen sind nun für den Versand zur Verzinnanlage
bereit (siehe Abb. 11).
Für die Herstellung von 100 Konservendosen braucht es durchschnittlich:
* 0.01 kg Walzöl
* 8.2 MJ elektrische und 11.4 MJ fossile Energie. Der höhere Walzwiderstand
beim Kaltwalzen im Vergleich zum Warmwalzen kömmt im höheren elektrischen
Energiebedarf zum Ausdruck.
* 0.6 MJ fossile Energie für den werkinternen Transport
Nach dem Kaltwalzen müssen 0.7 kg Abfall entsorgt werden.
Abb. 10: Schema eines Kaltwalzwerk mit anschliessender Ausglühanlage
[1] inklusiv Dosen für Tierfutter und Farbe
[2] Merke: Mit 1 MJ lassen sich 3 Liter Wasser von 20 auf
100 Grad Celsius erhitzen, also beispielsweise 3 mal Frühstückskaffee
kochen.
