Vom Erz zum Stahl ein Lernbuffet zum Hochofenprozess · 2019-12-16 · 11 RAAbits Realschule Chemie...

11 RAAbits Realschule Chemie Juni 2015

1 von 26Stoffe und ihre Eigenschaften 12. Vom Erz zum Stahl (Kl. 8/9)II

Vom Erz zum Stahl – ein Lernbuffet zum Hochofenprozess

Ein Beitrag von Sabine Stoermer, OldenburgMit Illustrationen von Wolfgang Zettlmeier, Barbing

Besteck, Fahrräder, Autos, Brücken oder Münzen – sie alle bestehen aus Stahl. Seine Eigenschaften wie Verformbarkeit

oder Stabilität machen ihn zum unentbehrli-chen Werkstoff für uns. Wie aber gewinnt man Roheisen und wie wird es zu Stahl weiterver-arbeitet?

Ihre Schüler gehen diesen und weiteren Fra-gen in einem Lernbuffet nach. Dabei stellen sie im Schülerversuch die Eisenproduktion im Hochofen nach, lernen die wichtigsten Verfah-ren zur Stahlverarbeitung kennen und vertie-fen ihr Wissen über Redoxreaktionen.

Das Wichtigste auf einen Blick

Klasse: 8/9

Dauer: 5 Stunden (Minimalplan: 2)

Kompetenzen: Die Schüler …

• nennendieAusgangsstoffeundProduktedes Hochofenprozesses.

• erläuterndiegrundlegendenchemischenVorgänge im Hochofen.

• kommunizierenfachlichkorrektunterAn-wendung neuer Begriffe.

Versuche:

• EisenausEisenoxid?(SV)

Übungsmaterial:

• VomEisenerzzumRoheisen–derHoch-ofenprozess

• Vonobennachunten–BlickindenHoch-ofen (auf zwei Niveaus)

• Hiergeht’sheißher! –DieVorgänge imHochofen (auf zwei Niveaus)

• Roheisenistnichtgenug!–DieStahlpro-duktion (auf zwei Niveaus)

• RundumdenHochofen–einKammrätsel(auf zwei Niveaus)

Der moderne Hochofen erzeugt aus aufbereiteten

Eisen erzen bis zu 12.000 Tonnen Roheisen am Tag.

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Mit Arbeitsblättern

auf zwei Niveaus!

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II2 von 26 12. Vom Erz zum Stahl (Kl. 8/9) Stoffe und ihre Eigenschaften

Was Sie zum Thema wissen müssen

Vom Eisenerz zum Eisen im Hochofenprozess

DerHochofenprozessisteingroßtechnischesVerfahrenzurGewinnungvonEisenausEisen-erzen. Eine wichtige Rolle spielen hierbei die Eisenerze Magneteisenstein (Magnetit, Fe

3O

4)

und Roteisenstein (Hämatit, Fe2O

3). Andere Erze wie Eisenspat (Siderit, Fe[CO3]) und Eisen-

kies (Pyrit,FeS2) müssen vor der Verarbeitung in Eisenoxide überführt werden. Neben den EisenerzenwirdderOfenaußerdemmitKoksundZuschlägen(Kalku.a.)beschickt.

So ist der Hochofen aufgebaut

Der moderne Hochofen ist ein Schachtofen mit einer Höhe von ca. 30 bis 75 m. Der Durch-messer beträgt zwischen 3 und 10 m. Vom oberen Ende, der Gicht, wird der Ofen nach unten hin entlang des Schachts bis zum sogenannten Kohlensack, der Stelle im Hochofen mit dem größten Innendurchmesser, immerbreiter.UnterhalbdesKohlensacks folgendieRast und das Gestell, die wieder schmäler sind. Diese Form ermöglicht eine optimale Durchgasung der beschickten Stoffe.

Der Hochofen besteht aus einem wärmedämmenden und feuerfesten Kerngemäuer, das von einem zentimeterdicken Stahlpanzerumgebenist.AußenbeindetsichinderRegeleinStahl-gerüst mit Arbeits- und Montagebühnen. Dieses ist einerseits wichtig zum Beschicken des Hochofens, andererseits dient es zum Stützen und Stabilisieren.

Das passiert im Inneren des Hochofens

DiefesteBeschickungdurchläuftdenOfenvonobennachunten.Heiße,mitSauerstoffange-reicherteLuftwirdvonuntenindenOfengeblasen.DerKoksverbrenntdadurchzuKohlen-stoffdioxid, welches weiter zu Kohlenstoffmonoxid reagiert:

C + O2 CO2

CO2 + C 2 CO

DasaufsteigendeKohlenstoffmonoxidreduziertbeieinerTemperaturvon400–900°CdasEi-senoxid zu schwammigem, d. h. oberflächenreichem Eisen (Reduktionszone):

Fe3O4+4CO 3Fe+4CO2

Fe2O3 + 3 CO 2 Fe + 3 CO2

DasKohlenstoffmonoxiddisproportioniertzuKohlenstoffdioxidundKohlenstoff,dadieTem-peratur in diesem Bereich des Ofens niedrig ist:

2 CO CO2 + C

DerfeinverteilteKohlenstofflöstsichzumgroßenTeilimEisen(Kohlungszone). Dadurch wird derSchmelzpunktvonca.1550°Cauf1150°Cherabgesetzt.InderSchmelzzone tropft dann daslüssige,kohlenstoffreicheEisenabundsammeltsichimunterenTeildesGestells.Dersogenannte Abstich erfolgt alle vier bis sechs Stunden.

Die Produkte des Hochofenprozesses und deren Verwendung

EinmittelgroßerHochofenlieferttäglichbiszu12.000tRoheisen.AnschließenderfolgtdieHerstellungvonStahlausdemRoheisen,indemderKohlenstoffgehaltwiederreduziertwird.

DieanderenProduktedesHochofenprozesses,Schlacke und Gichtgas, werden ebenfalls wei-terverwendet. So wird die Schlacke, bestehend aus Calcium-Aluminium-Silicat, z. B. für den Straßenbau verwendet. Das Gichtgas (60% Stickstoff, 30% Kohlenstoffmonoxid und 10%Kohlenstoffdioxid)kannnacheinerEntstaubungzurErzeugungvonElektroenergiesowiealsHeizgas genutzt werden.

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3 von 26Stoffe und ihre Eigenschaften 12.VomErzzumStahl(Kl.8/9)II

Vorschläge für Ihre Unterrichtsgestaltung

Voraussetzungen der Lerngruppe

Die Schülerinnen und Schüler* sollten sich im Vorfeld mit den Eigenschaften und der Verwen-dung von Metallen beschäftigt haben. Die Begriffe „Oxidation“, „Reduktion“ und „Redoxre-aktion“solltenausdenvorherigenUnterrichtssequenzenbekanntsein.AuchdieRedoxreihe der MetallesollteimUnterrichterarbeitetwordensein.

* Im weiteren Verlauf wird aus Gründen der besseren Lesbarkeit nur „Schüler“ verwendet.

Aufbau der Unterrichtseinheit

DerEinstiegindieUnterrichtseinheiterfolgtübereinenstummenImpulsmithilfevonFarbfo-lie M 1,dieFotosderverschiedenenProduktionsschrittevomErzzumStahlzeigt.Imanschlie-ßendenLehrer-Schüler-GesprächtestenSiedasVorwissenderKlassezumThema„Eisen“,des-senVorkommeninderNaturundzumThema„Stahl“.EswirddieHypotheseaufgestellt,dassman Eisen gewinnen kann, indem man Eisenoxid mit einem anderen Stoff (Reduktionsmittel) reagierenlässt.ImanschließendenSchülerversuch M 2/M 3wirddieseHypotheseveriiziertundderHochofenprozessimKleinendargestellt.

Im Lernbuffet M 4–M 8erarbeitendieSchülerschließlichselbstständiginEinzel-oderPart-nerarbeit die Vorgänge im Hochofen und die wichtigsten Verfahren zur Stahlerzeugung. Der Laufzettel M 4 dient dabei als Übersicht und Notizzettel für aufkommende Fragen. DieAr-beitsblätter M 6–M 8 stehen den Schülern auf zwei Niveaus zur Verfügung. Sie dürfen selbst entscheiden, mit welchem Niveau sie arbeiten wollen.

Die Folienvorlage M 9 können Sie zur mündlichen Wiederholung der Inhalte des Lernbuffets einsetzen. Das Kammrätsel M 10 dient auf spielerische Weise zur Festigung derwichtigstenBegriffeausderUnterrichtseinheit.

Üben

Angebote zur Differenzierung

Die Arbeitsblätter M 6–M 8 des Lernbuffets stehen den Schülern auf zwei Niveaus zur Verfü-gung. Die Lernenden können bei jedem Arbeitsblatt selbst entscheiden, auf welchem Niveau siearbeitenmöchten.BeiArbeitsblattM7kannaußerdemeineTippkarte leistungsschwäche-ren Schülern auf die Sprünge helfen.

Bei Kammrätsel M 10 steht Ihnen eine Version mit mehr Hilfestellungen als Zusatzmaterial auf CD zur Verfügung. Zusätzlich bietet die offene Arbeitsform des Lernbuffets Ihnen als Lehrkraft die Möglichkeit, gezielt leistungsschwache Schüler in ihrem Lernprozess zu unter-stützen.

Ideen für die weitere Arbeit

Das Thermitverfahren, bei dem Eisen in kleinen Mengen hergestellt wird und welches Anwen-dungbeimGleisbauindet,wäreeinmöglichesnächstesUnterrichtsthema.Auchkönntemansich mit weiteren Verfahren zur Metallgewinnung beschäftigen. So böte sich die Elektrolyse an, mit der man Metalle, wie Aluminium (Bauxitverfahren), gewinnen kann.

Hinweise für fächerübergreifendes Arbeiten

Bei diesem Thema würde sich eine Zusammenarbeit mit dem Fach „Arbeit/Wirtschaft“ anbie-ten.SokönntensichdieSchülermitBerufeninderFachrichtung„Metall“auseinandersetzen.

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Die Einheit im Überblick

V = Vorbereitung FO = Folie AB = Arbeitsblatt

D=Durchführung SV=Schülerversuch TK=Tippkarte

VP=Versuchsprotokoll FV=Folienvorlage = Zusatzmaterial auf CD

Minimalplan

Ihnen steht wenig Zeit zur Verfügung und Sie behandeln dieses Thema direkt nach der Einheit „Redoxreaktionen“?DannkönnenSiedieseEinheitauchin zwei Unterrichtsstunden durch-führen.ÜberspringenSiedenEinstiegsversuch M 2 und setzen Sie direkt mit dem Lernbuffet ein. Das Kammrätsel M 10 kann auch als Hausaufgabe erledigt werden.

Stunden 1–2: Eisen überall – aber wo kommt es her?

M 1 (FO) Schritt für Schritt vom Erz zum Stahl

M 2 (SV)

V: 10 min

D: 20 min

Eisen aus Eisenoxid?

1 Schutzbrille(pro Schüler)

1PaarEinweg-Hand-schuhe (pro Schüler)

1 schwer schmelzbares Reagenzglas

1 Waage(am Lehrerpult)

1 durchbohrter Stopfen

2Gummischläuche

1 Spatel

1 Becherglas

1Gasbrenner

2Glasrohre

Stativmaterial

1 Waschfl asche

1weißesBlattPapier

1 Magnet

Eisenoxid

Kalkwasser

Holzkohlepulver

M 3 (VP) Versuchsprotokoll: Eisen aus Eisenoxid?

(VP) Versuchsprotokoll: Eisen aus Eisenoxid? (mit weniger Hilfestellungen)

Stunden 3–4: Lernbuffet zum Hochofenprozess

(FV) Versuchsskizze: Eisen aus Eisenoxid?

M 4 (AB) Lernbuffet „Vom Erz zum Stahl“ – Laufzettel

M 5 (AB) Vom Eisenerz zum Roheisen – der Hochofenprozess

M 6 (AB) Von oben nach unten – Blick in den Hochofen

M 6 (AB) Von oben nach unten – Blick in den Hochofen (höheres Niveau)

(FV) Blick in den Hochofen

M 7 (AB/TK)

Hier geht’s heiß her! – Die Vorgänge im Hochofen

M 7 (AB/TK)

Hier geht’s heiß her! – Die Vorgänge im Hochofen (höheres Niveau)

M 8 (AB) Roheisen ist nicht genug! – Die Stahlproduktion

M 8 (AB) Roheisen ist nicht genug! – Die Stahlproduktion (höheres Niveau)

Stunde 5: Der Hochofenprozess – was wurde gelernt?

M 9 (FV/LEK) Vom Erz zum Eisen – der Hochofen

M 10 (AB/LEK) Rund um den Hochofen – ein Kammrätsel

(AB/LEK) Rund um den Hochofen – ein Kammrätsel (mit mehr Hilfestellungen)

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M 1 Schritt für Schritt vom Erz zum Stahl

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M 2Eisen aus Eisenoxid?

„Reines Eisen gewinnt man durch eine Reduktion!“ Überprüft in diesem Versuch, ob diese Aussage stimmen kann.

SchülerversuchinKleingruppen Vorbereitung: 10 min Durchführung: 20 min

Aufgabe

Führt den folgenden Versuch durch.

So führt ihr den Versuch durch

1. Stellt die folgenden Materialien bereit.

Das benötigt ihr

1 Schutzbrille (pro Schüler)

1PaarEinweg-Hand-schuhe (pro Schüler)

1 schwer schmelz bares Reagenzglas

1 Waage (am Lehrerpult)

1 durchbohrter Stopfen

2Gummischläuche

1 Spatel

1 Becherglas

1Gasbrenner

2Glasrohre

Stativmaterial

1 Waschfl asche

1weißesBlattPapier

1 Magnet

Eisenoxid

Kalkwasser

Holzkohlepulver

2. FülltdasReagenzglasmiteinemGemischaus0,5gHolzkohleund3gEisenoxid(genauabwiegen).VerschließtdasReagenzglasmitdemdurchbohrtenStopfen.

3. BefülltdasBecherglasvorsichtigundetwazweidaumenbreitmitKalkwasser.

4. Befestigt das Reagenzglas mithil-fe des Stativmaterials und baut den Versuch gemäß der neben-stehenden Abbildung auf. Lasst den Versuchsaufbau von eurem Lehrer überprüfen.

Die Waschfl asche sollte aus Si-cherheitsgründen unbedingt zwi-schengeschaltet werden.

5. StelltamGasbrennerdierauschendeFlammeeinunderhitztvonuntendasReagenz-glas. Beobachtet genau, was passiert.

6. Sobald keine Änderungen mehr zu sehen sind, ist der Versuch beendet. Löst als erstes vorsichtigdenGummischlauchvomReagenzglas,damitbeimAbkühlenkeinKalkwas-serindieApparaturläuft.StellterstdanndenGasbrenneraus.

7. LasstdasReaktionsprodukt imReagenzglasabkühlen.Schüttet esanschließendvor-sichtigaufdasweißeBlattPapier.UntersuchtdasAussehendesProdukts.

8. PrüftdasProduktaufmagnetischeEigenschaften,indemihreinenMagnetenmiteinemStückPapierumwickeltundandasProdukthaltet.

B eobachten und Dokumentieren

Füllt das Versuchsprotokoll aus.

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II12 von 26 12.VomErzzumStahl(Kl.8/9) Stoffe und ihre Eigenschaften

M 4 Lernbuffet „Vom Erz zum Stahl“ – Laufzettel

So funktioniert’s – Regeln zum Arbeiten am Lernbuffet

Arbeite ruhig und konzentriert allein oder mit einem Partner.

UnterhältstdudichmitdeinemArbeitspartnerüberdieAufgaben,so redeleise, damit du deine Mitschüler nicht störst.

Hole dir die Arbeitsblätter vom Buffet. Du kannst zwischen zwei Schwierigkeits-

stufen wählen.

Bearbeite die Aufgaben der Reihe nach.

Kontrolliere deineAufgaben selbstständig. Dafür holst du dir die Lösungs karte

vom Lehrerpult und vergleichst sie mit deinem Arbeitsblatt. Berichtige gege-

benenfalls.

Die Aufgabe ist erledigt?DannmacheeinKreuzaufderLaufkarte.Notieredirau-ßerdemdieDinge,diedunochnichtganzverstandenhast.SiewerdendannimAnschluss an das Lernbuffet besprochen.

Räumt den Arbeitsplatz nach jedem Versuch auf, damit die folgenden Gruppenden Versuch ebenfalls durchführen können.

Laufkarte

Materialerledigt Das habe ich noch nicht ganz ver-

standen …Niveau 1 Niveau 2

1 Text: Vom Eisenerz zum Roh-

eisen – der Hochofenprozess

2 Arbeitsblatt: So sieht der

Hochofen aus

3 Arbeitsblatt: Was passiert im

Hochofen?

4 Text und Arbeitsblatt: Eisen –

und dann?

5 Rätsel: Hochofen – kreuz und

quer

Bil

de

r: C

olo

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II14 von 26 12.VomErzzumStahl(Kl.8/9) Stoffe und ihre Eigenschaften

Von oben nach unten – Blick in den Hochofen

Im Hochofen läuft die Gewinnung von Roheisen aus Eisenerzen in mehreren hin-

tereinandergeschalteten Schritten ab. Dazu sind verschiedene Zonen im Hochofen

nötig. Wiederhole hier, welche das sind und wo sie sich im Hochofen befi nden.

Aufgaben

1. Ergänze oberhalb des Ofens die Stoffe, mit denen der Ofen befüllt wird.

2. Trage links neben dem Ofen die Zonen ein.

3. Stelle im Inneren des Ofens die Wortgleichungen auf.

4.ErgänzedienochfehlendenBegriffe.

+

+

+

+

M 6

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Roheisen ist nicht genug! – Die Stahlproduktion

Durch den Hochofenprozess gewinnt man Roheisen – doch dieses muss noch wei-

terverarbeitet werden, ehe es als Werkstoff genutzt werden kann. Erfahre hier, wie

man dabei vorgeht.

Das beim Hochofenprozess entstehende Roheisen ist so spröde (d. h. unelastisch und ris-sig), dass es nur schlecht geschmiedet oder gewalzt werden kann. Das liegt daran, dass es nochmitvielenanderenStoffenwieKohlenstoff,Mangan,Silizium,PhosphoroderSchwefelverunreinigtist.UmdasRoheisenbesserverarbeitenzukönnen,istesnotwendig,denKoh-lenstoffgehaltunter1,7%zuverringern.EisenmiteinemderartniedrigenKohlenstoffgehaltnennt man Stahl. Auch die anderen Fremdstoffe sind weitestgehend aus dem Stahl entfernt. DasSenkendeshohenKohlenstoffgehaltsimRoheisenwirdinderFachsprache„Frischen“genannt.Dasbedeutet,dassderKohlenstoffoxidiertwird.

In modernen Stahlwerken sind die folgenden beiden Verfahren zur Stahlproduktion gängig:

Aufgaben

1. Erkläre, warum man Eisen noch weiter zu Stahl verarbeiten muss.

2.VergleichebeideVerfahrenmiteinander.NenneGemeinsamkeitenundUnterschiede.

3.BeimElektrostahlverfahrenwirdMetallrecycelt.Wiemeintmandas?Erkläre.

2 Das Elektrostahlverfahren

Bei diesem Verfahren wird das fl üssige Roheisen in eine gro-ßeWannegefüllt.KohleelektrodenragenindieseWannehi-nein.EswirdeineelektrischeSpannungandieKohleelektro-den gelegt, sodass zwischen ihnen ein Lichtbogen entsteht. DiesersetzteinegroßeWärmeenergiefrei.DurchdiesehohenTemperaturenverbrenntderimEisenenthalteneKohlenstoffzuKohlenstoffdioxid.AllerdingsbenötigtmanfürdiesenPro-zess zusätzlich Sauerstoff. Daher füllt man zum Roheisen auch nochEisenschrottindieWanne.IndiesemEisenschrottbein-det sich Eisenoxid, das den benötigten Sauerstoff liefert.

Dieses Verfahren ist energetisch günstiger als das Sauerstoff-blasverfahren, allerdings auch kostenintensiver. Daher wird es nur zur Herstellung von Qualitäts- und Edelstählen benutzt.

Das Elektrostahlverfahren

1 Das Sauerstoffblasverfahren

DiesesVerfahren wird auch„LD-Verfahren“ genannt undist das weltweit meist genutzte Verfahren zur Herstellung von Stahl aus Roheisen.

Bei diesem Verfahren wird das Roheisen in einen speziel-lenBehälter,densogenanntenKonverter,gefüllt.MithilfeeineslangenRohrs,derLanze,wirdSauerstoffindenKon-vertergeblasen.DerüberschüssigeKohlenstoffverbrenntzuKohlenstoffdioxidundauchdieanderenunerwünschtenStoffe werden oxidiert. Die verbrannten Stoffe entweichen größtenteils alsGase.Nach zirka20Minuten istderVor-gang beendet. Das Sauerstoffblasverfahren

O2 Sauerstoffl anze

Kohleelektroden

Konverter

fl üssiges

Roheisen

fl üssiges

Roheisen

M 8

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M 9 Vom Erz zum Eisen – der Hochofen

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25 von 26Stoffe und ihre Eigenschaften 12. Vom Erz zum Stahl (Kl. 8/9)II

M 10Rund um den Hochofen – ein Kammrätsel

Was hast du über die Vorgänge im Hochofen und die Stahlproduktion gelernt? Teste in

diesem Kammrätsel dein Wissen!

Dies ist der Aus-

gangsstoff der

Eisengewinnung

(Foto 1).

1

So nennt man eine

Reaktion, bei der

einem Stoff

Sauerstoff

entzogen wird.

2

Dies ist ein Reduk-

tionsmittel. 3

Hierindetdie

Eisengewinnung

statt (Foto 2).4

Ein Nebenprodukt

beim Hochofen-

prozess

5

Der Anteil hiervon

ist im Roheisen

zu hoch, um es zu

verarbeiten.

6

In dieser Zone des

Hochofens werden

die Stoffe

getrocknet.

7

Dieser Stoff ist in

Eisenerz enthalten. 8

Gase,diebeim

Hochofenprozess

entweichen.9

Senken des

Kohlenstoffgehalts

im Roheisen

10

Lösungswort

Tipp Deren Bedeutung im Hochofenprozess wird oft unterschätzt.

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

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Foto 1

Zement kann aus dem

gesuchten Begriff Nr. 5

gewonnen werden.

Foto 2

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