Die Verhüttung von Raseneisenerz - Schmied
Die Verhüttung von Raseneisenerz - Schmied
Einleitung
Die Verhüttung von Raseneisenerz im Rennofen gehört zu den ältesten Verfahren der Eisengewinnung. Für angehende Schmiedinnen und Schmiede ist dieses Thema besonders wichtig, weil es die gesamte handwerkliche Prozesskette sichtbar macht: vom Rohstoff über die Direktreduktion und die Bildung einer Eisenluppe bis zum Ausschmieden eines verwendbaren Halbzeugs.
Raseneisenstein ist kein einheitliches Mineral, sondern eine meist oberflächennahe, durch Eisenoxide und Eisenhydroxide verfestigte Bodenbildung. Er kann Sand, Schluff, Ton, organische Bestandteile sowie Mangan- und Phosphorverbindungen enthalten. Diese Begleitstoffe beeinflussen die Schlackenbildung und die Eigenschaften des gewonnenen Metalls.[1]
Der Rennofen ist ein kleiner Schachtofen. Holzkohle liefert Wärme, bildet das reduzierende Gas Kohlenstoffmonoxid und hält die Beschickung gasdurchlässig. Anders als im Hochofen entsteht normalerweise kein Bad aus flüssigem Roheisen. Das Eisen bleibt überwiegend fest bis teigig, sintert zusammen und sammelt sich als poröse, schlackenhaltige Luppe.[2]
Beobachtungsauftrag: Achte im Video auf Rohstoffvorbereitung, Luftzufuhr, Schlackenabstich, Luppenentnahme und die anschließende Schmiedearbeit. Notiere zu jedem Punkt ein sichtbares Prozessmerkmal.
Lernziele
Nach diesem Lernkurs kannst Du den Rohstoff Raseneisenstein fachgerecht einordnen, die Hauptbauteile eines Rennofens benennen und die Reduktionsschritte vom Eisenoxid zum metallischen Eisen erklären. Du kannst außerdem die Funktionen von Holzkohle, Blasluft und Schlacke beschreiben, typische Prozessstörungen beurteilen, die Qualität einer Luppe bewerten und die wichtigsten Schutzmaßnahmen für einen beaufsichtigten Rennofenversuch begründen.
Der Rohstoff Raseneisenstein
Entstehung und Zusammensetzung
Raseneisenstein bildet sich vor allem in grundwasserbeeinflussten Böden. Gelöste Eisenverbindungen werden mit dem Wasser transportiert. Gelangt das eisenhaltige Wasser in einen sauerstoffreicheren Bereich, oxidiert zweiwertiges Eisen zu dreiwertigem Eisen; schwer lösliche Eisenoxide und Eisenhydroxide fallen aus und verfestigen Bodenbestandteile. Der Prozess kann durch Mikroorganismen unterstützt werden und sich über lange Zeiträume erstrecken.
Die braune bis rostrote Farbe weist häufig auf oxidische Eisenverbindungen hin. Dunkle Partien können unter anderem durch Manganverbindungen verursacht sein. Für die Verhüttung ist nicht die Farbe allein entscheidend, sondern der tatsächlich nutzbare Eisengehalt sowie die Art und Menge der Gangart.
Fachgerechte Rohstoffbeurteilung
In der Ausbildung wird eine Erzprobe nicht nur optisch beurteilt. Wichtig sind Herkunft, Feuchte, Korngröße, Bruchbild, Magnetisierbarkeit nach dem Rösten und – soweit verfügbar – eine chemische oder mineralogische Analyse. Ein hoher Anteil an Sand und Ton erhöht die Schlackenmenge. Schwefel kann zu Warmbrüchigkeit beitragen; Phosphor kann Festigkeit und Korrosionsverhalten beeinflussen, zugleich aber Kaltbrüchigkeit fördern. Deshalb muss die Zusammensetzung bei der späteren Werkstoffbewertung berücksichtigt werden.
| Prüfmerkmal | Fachliche Bedeutung | Mögliche Folge im Ofen |
|---|---|---|
| Feuchte | Erhöht den Energiebedarf und kann zu unruhigem Ofengang führen | Verzögerte Erwärmung, Dampfentwicklung |
| Korngröße | Beeinflusst Gasdurchströmung und Reaktionsfläche | Zu fein kann den Schacht zusetzen, zu grob kann unvollständig reduziert werden |
| Gangart | Bildet zusammen mit Eisenoxid und Ofenmaterial die Schlacke | Verändert Menge, Schmelzbereich und Viskosität der Schlacke |
| Eisenoxidgehalt | Bestimmt das theoretisch gewinnbare Eisen | Niedriger Gehalt senkt die Ausbeute |
| Schwefel und Phosphor | Können Werkstoffeigenschaften deutlich verändern | Erfordern eine besonders sorgfältige Werkstoffprüfung |
Vorbereitung des Erzes
Trocknen, Rösten und Zerkleinern
Vor der Verhüttung wird Raseneisenstein getrocknet und häufig geröstet. Beim Rösten wird das Erz unter Luftzutritt erhitzt. Dabei werden gebundenes und freies Wasser entfernt, organische Bestandteile verbrannt und das Material mürber. Durch den Massenverlust steigt der relative Anteil der nicht flüchtigen mineralischen Bestandteile; es entsteht jedoch nicht automatisch mehr Eisen. Nach dem Rösten lässt sich das Erz leichter brechen, sortieren und auf eine zum Ofen passende Korngröße bringen.[3]
Eine gleichmäßige Körnung unterstützt einen stabilen Gasstrom. Feinstaub ist auszusieben, weil er Hohlräume zwischen Holzkohlestücken füllen und den Schachtwiderstand erhöhen kann. Sehr große Stücke besitzen dagegen eine ungünstige Reaktionsstrecke. Die geeignete Körnung hängt von Ofendurchmesser, Düsenlage, Holzkohlegröße und Gebläseleistung ab.
Praxisbezug: Erstelle für eine Erzcharge ein Arbeitsprotokoll mit Ausgangsmasse, Masse nach dem Trocknen, Masse nach dem Rösten, ausgesiebtem Feinanteil und verwendbarer Erzmasse. So kannst Du Verluste nachvollziehen und spätere Ausbeuten korrekt berechnen.
Aufbau und Funktion des Rennofens
Ein Rennofen besteht typischerweise aus einem feuerfest ausgekleideten Schacht, einem Herdraum, mindestens einer Luftdüse beziehungsweise Blasform, einer Einrichtung für die Luftzufuhr und – je nach Bauart – einer Öffnung zum Ablassen der Schlacke. Historische Bauformen unterscheiden sich stark. Deshalb gibt es keine einzige, für alle Zeiten und Regionen gültige Rennofenkonstruktion.
| Bauteil | Aufgabe | Bedeutung für die Prozessführung |
|---|---|---|
| Ofenschacht | Führt Beschickung und Reaktionsgase | Höhe und Querschnitt beeinflussen Verweilzeit und Wärmehaushalt |
| Herdraum | Sammelt Schlacke und sich bildende Eisenpartikel | Form und Tiefe beeinflussen die Lage der Luppe |
| Blasform | Leitet Luft in die Reaktionszone | Winkel, Höhe und Abstand bestimmen die heißeste Zone |
| Gebläse oder Blasebalg | Liefert den benötigten Sauerstoff | Luftmenge beeinflusst Temperatur, Gasbildung und Oxidation |
| Abstichöffnung | Ermöglicht das kontrollierte Ablassen flüssiger Schlacke | Verhindert, dass die Reaktionszone durch zu viel Schlacke überflutet wird |
Die Beschickung erfolgt von oben mit abgestimmten Portionen aus Holzkohle und vorbereitetem Erz. Entscheidend ist nicht ein starres Rezept, sondern eine dokumentierte Abstimmung von Erzqualität, Holzkohle, Ofengeometrie, Luftmenge und Beschickungsrhythmus.
Physikalisch-chemische Vorgänge
Verbrennung und Bildung des Reduktionsgases
Im Bereich der Blasform reagiert Kohlenstoff mit Sauerstoff zunächst stark exotherm. Dabei entstehen hohe Temperaturen. Kohlenstoffdioxid kann an heißer Holzkohle zu Kohlenstoffmonoxid reagieren:
C + O₂ → CO₂
CO₂ + C → 2 CO
Kohlenstoffmonoxid ist im Rennofen das wichtigste gasförmige Reduktionsmittel. Es strömt nach oben, trifft auf die absteigende Beschickung und entzieht den Eisenoxiden Sauerstoff.
Stufenweise Reduktion der Eisenoxide
Die Reduktion erfolgt vereinfacht in mehreren Stufen:
3 Fe₂O₃ + CO → 2 Fe₃O₄ + CO₂
Fe₃O₄ + CO → 3 FeO + CO₂
FeO + CO → Fe + CO₂
Diese Gleichungen sind ein vereinfachtes Modell. Im realen Ofen laufen gleichzeitig Wärmeübertragung, Gasreaktionen, Festkörperreaktionen, Sinterung, Aufkohlung und Schlackenbildung ab. Temperatur und Gaszusammensetzung sind im Schacht nicht gleichmäßig.
Der Rennofen arbeitet als Direktreduktionsverfahren, weil aus dem Erz unmittelbar ein festes beziehungsweise teigiges Eisenprodukt entsteht und nicht zuerst flüssiges Roheisen erzeugt wird. Das bedeutet nicht, dass nur fester Kohlenstoff reduziert: Ein großer Anteil der Sauerstoffabgabe erfolgt durch Kohlenstoffmonoxid.
Schlackenbildung
Die nichtmetallischen Bestandteile des Erzes werden als Gangart bezeichnet. Sie reagieren mit Eisenoxiden, Aschebestandteilen und teilweise mit Material der Ofenwand. Dabei bildet sich eine silikatische Schlacke, die im heißen Bereich flüssig oder zähflüssig wird. Häufig ist Fayalit, Fe₂SiO₄, ein wichtiger Bestandteil historischer Rennofenschlacken.
Schlacke ist nicht nur Abfall. Sie nimmt Gangart auf, ermöglicht Stofftrennung, schützt Metallpartikel zeitweise vor erneuter Oxidation und beeinflusst die Wärmeverteilung. Zu zähe Schlacke fließt schlecht; zu viel dünnflüssige Schlacke kann den Herd überfüllen oder wertvolle Eisenpartikel austragen. Die traditionelle Erklärung des Namens Rennofen bezieht sich auf die aus dem Ofen rinnende Schlacke.[4]
Prozessführung im Rennofen
Aufheizen und Beschicken
Der Ofen wird zunächst schonend getrocknet und vorgewärmt. Erst ein ausreichend trockener und thermisch stabiler Schacht darf in den eigentlichen Verhüttungsbetrieb übergehen. Danach werden Holzkohle und Erz in festgelegten Chargen aufgegeben. Die Füllhöhe soll möglichst konstant bleiben, damit Gasweg, Wärmeaustausch und Verweilzeit nicht stark schwanken.
Während des Ofengangs beobachtet das Team die Flammenerscheinung an der Gicht, das Absinken der Beschickung, das Geräusch des Luftstroms, den Gebläsedruck, die Temperaturmesswerte und das Verhalten der Schlacke. Einzelne Beobachtungen sind nie allein beweiskräftig; erst die Kombination aus Messwerten, Prozessprotokoll und Materialbefund erlaubt eine belastbare Beurteilung.
Temperatur- und Luftführung
Typische Spitzentemperaturen im Reaktionsbereich eines Rennofens liegen ungefähr zwischen 1100 und 1350 °C. Sie sind räumlich begrenzt und hängen stark von Ofenbauart und Fahrweise ab. Der Schmelzpunkt reinen Eisens liegt deutlich höher. Durch Kohlenstoffaufnahme kann der Schmelzpunkt lokaler Eisenpartien jedoch sinken. Ziel ist deshalb eine Prozessführung, bei der die Schlacke fließen kann, ohne dass sich ein großes Bad aus kohlenstoffreichem, sprödem Roheisen bildet.
Zu wenig Luft kann Temperatur und Kohlenstoffmonoxidbildung unzureichend machen. Zu viel Luft kann den Holzkohleverbrauch steigern, die Reaktionszone ungünstig verlagern und metallisches Eisen in Düsenähe wieder oxidieren. Die Luftmenge wird deshalb nicht nach Flammenfarbe allein geregelt, sondern anhand der gesamten Prozessreaktion.
Schlackenabstich und Prozessdiagnose
Beim Schlackenabstich wird die Abstichöffnung mit geeignetem Werkzeug geöffnet. Das Verhalten der austretenden Schlacke liefert Hinweise auf Temperatur, Viskosität und Herdzustand. Die Beobachtung darf nur durch eingewiesene Personen aus sicherer Position erfolgen. Wasser, feuchte Werkzeuge und geschlossene Gefäße dürfen nicht in den Bereich flüssiger Schlacke gelangen.
| Beobachtung | Mögliche Ursache | Fachgerechte Reaktion |
|---|---|---|
| Beschickung sinkt kaum ab | Brückenbildung, zu viel Feinanteil oder unzureichender Gasstrom | Prozesswerte prüfen, Gefahrenbereich sichern und nur nach festgelegtem Betriebsplan eingreifen |
| Schlacke fließt nicht | Temperatur zu niedrig, ungünstige Zusammensetzung oder verstopfter Abstich | Luftführung, Beschickung und Abstichzustand durch die verantwortliche Fachkraft bewerten |
| Starker Funkenflug an der Gicht | Feinteile, sehr hohe Gasgeschwindigkeit oder unruhige Beschickung | Abstand vergrößern, Eintrag von Feinstaub vermeiden und Prozess stabilisieren |
| Luppe enthält sehr viel Schlacke | Ungünstige Schlackenmenge, zu kurze Konsolidierungszeit oder schwache Zusammenlagerung | Erzaufbereitung und Ofenführung auswerten; Luppe kontrolliert ausheizen |
| Metall zeigt spröde Partien | Lokale Aufkohlung, Phosphoreinfluss oder nichtmetallische Einschlüsse | Werkstoff getrennt prüfen, sortieren und nicht ungeprüft für sicherheitsrelevante Bauteile verwenden |
Die Eisenluppe und ihre Weiterverarbeitung
Entnahme und Erstverdichtung
Am Ende des Ofengangs wird die Luppe aus dem Herd entnommen. Je nach Ofenbauart muss dafür eine Öffnung erweitert oder ein Teil des Schachts geöffnet werden. Die Luppe ist ein heißes, poröses Gemenge aus metallischem Eisen beziehungsweise Stahl, Schlacke und Holzkohleresten. Sie ist noch kein fertiger Werkstoff.[5]
Die heiße Luppe wird zunächst vorsichtig verdichtet. Dadurch werden lose Bereiche zusammengefügt und ein Teil der flüssigen Schlacke ausgetrieben. Zu harte oder schlecht geführte Schläge können die Luppe zerlegen. Die Schmiedearbeit beginnt deshalb mit kontrollierten, flächigen Schlägen und einer sicheren Handhabung mit geeigneten Zangen und Werkzeugen.
Ausheizen, Raffinieren und Gärben
Beim Ausheizen wird die Luppe wiederholt auf Schmiedetemperatur gebracht und ausgeschmiedet. Schlacke tritt aus, Poren schließen sich und Eisenpartien verschweißen. Durch Ausrecken, Teilen, Stapeln und Feuerschweißen kann das Material weiter homogenisiert werden. Dieser historische Raffinationsvorgang wird auch mit dem Gärben von Renneisen verbunden.
Die Luppe kann Zonen mit sehr unterschiedlichem Kohlenstoffgehalt enthalten. Manche Bereiche sind weich und kaum härtbar, andere stahlartig und härtbar; lokal können auch spröde, stark aufgekohlte Partien vorkommen. Eine fachgerechte Sortierung nach Funkenprobe, Bruchbild, Schmiedeverhalten und gegebenenfalls metallografischer Untersuchung ist deshalb wichtiger als die pauschale Bezeichnung als Schmiedeeisen.
Qualitätsbewertung des gewonnenen Werkstoffs
Eine erfolgreiche Verhüttung wird nicht allein am Gewicht der Luppe gemessen. Entscheidend ist, welcher Anteil nach dem Ausschmieden als brauchbares Halbzeug übrig bleibt. Dokumentiert werden sollten Erzmasse, Holzkohlemasse, Prozessdauer, Luftführung, Schlackenmasse, Rohluppenmasse und Masse des raffinierten Halbzeugs.
Die metallurgische Bewertung umfasst Porosität, Schlackeneinschlüsse, Risse, Homogenität, Schmiedbarkeit, Kohlenstoffverteilung und auffällige Sprödigkeit. Für eine fundierte Untersuchung können Schliffbilder, Härteprüfungen und chemische Analysen eingesetzt werden. Historisch erzeugtes Renneisen ist heterogen; gerade diese Heterogenität muss erkannt und handwerklich beherrscht werden.
| Kennzahl | Berechnung | Aussage |
|---|---|---|
| Rohluppenausbeute | Rohluppenmasse geteilt durch eingesetzte Erzmasse | Zeigt den groben Stoffübergang, enthält aber noch Schlacke |
| Halbzeugausbeute | Masse des raffinierten Halbzeugs geteilt durch eingesetzte Erzmasse | Ist für die nutzbare Metallmenge aussagekräftiger |
| Raffinationsverlust | Rohluppenmasse minus Halbzeugmasse | Umfasst ausgetriebene Schlacke, Abbrand und Materialverluste |
| Spezifischer Holzkohleverbrauch | Holzkohlemasse geteilt durch Halbzeugmasse | Erlaubt den Vergleich ähnlich geführter Versuche |
Arbeitssicherheit und Umweltschutz
Ein Rennofenversuch ist kein unbeaufsichtigtes Lernexperiment. Er gehört in eine fachlich geleitete Ausbildungsumgebung mit schriftlicher Gefährdungsbeurteilung, Brandschutzkonzept, festgelegten Verantwortlichkeiten und ausreichend großem Sicherheitsbereich. Besondere Gefahren sind Kohlenstoffmonoxid, Sauerstoffmangel, offenes Feuer, heiße Ofenwände, Funkenflug, flüssige Schlacke, glühende Luppen, schwere Werkzeuge und unkontrollierte Reaktionen feuchter Stoffe.
Erforderlich sind unter anderem geeignete Schutzkleidung aus schwer entflammbaren Materialien, Gesichtsschutz, Schutzbrille, hitzebeständige Handschuhe, Sicherheitsschuhe, Gehörschutz beim Schmieden und eine sichere Werkzeugorganisation. Synthetische Kleidung ist ungeeignet. Kohlenstoffmonoxid ist farb- und geruchlos; gute natürliche Lüftung im Freien und geeignete Messgeräte ersetzen nicht die fachliche Aufsicht, sondern ergänzen sie.
Holzkohle und Erz sollten sparsam und dokumentiert eingesetzt werden. Rückstände sind erst nach vollständigem Abkühlen zu sortieren. Schlacken und unbekannte Stäube dürfen nicht unkontrolliert in Boden oder Gewässer gelangen. Bei archäologischen Fundstellen gelten zusätzlich Denkmal- und Naturschutzrecht; Raseneisensteinvorkommen können geschützt sein.
Ablaufübersicht der Prozesskette
| Prozessstufe | Hauptziel | Typisches Ergebnis |
|---|---|---|
| Rohstofferkundung | Geeigneten Raseneisenstein erkennen und beproben | Dokumentierte Erzprobe |
| Trocknen und Rösten | Wasser und organische Bestandteile reduzieren, Erz mürbe machen | Röstgut |
| Brechen und Sieben | Gleichmäßige, gasdurchlässige Beschickung vorbereiten | Aufbereitetes Erz |
| Vorheizen | Ofen trocknen und thermisch stabilisieren | Betriebsbereiter Rennofen |
| Beschicken und Reduzieren | Eisenoxide schrittweise zu metallischem Eisen reduzieren | Eisenpartikel und flüssige Schlacke |
| Schlackenführung | Gangart abtrennen und Herdzustand kontrollieren | Abgestochene Rennofenschlacke |
| Luppenentnahme | Metallisches Zwischenprodukt bergen | Rohlupe |
| Ausheizen und Raffinieren | Schlacke austreiben, Poren schließen, Material homogenisieren | Schmiedbares Halbzeug |
| Werkstoffprüfung | Eigenschaften und Verwendbarkeit beurteilen | Sortiertes Eisen- oder Stahlhalbzeug |
Quellen und Vertiefung
- Raseneisenstein
- Rennofen
- Luppe in der Metallurgie
- Schlacke in der Metallurgie
- Wikimedia Commons: Bloomeries
- Wikimedia Commons: Iron blooms
Interaktive Aufgaben
Quiz: Teste Dein Wissen
Welches Produkt entsteht im Rennofen als poröses metallisches Zwischenprodukt? (Eisenluppe) (!Roheisenbad) (!Koks) (!Walzblech)
Welche Hauptfunktion hat Kohlenstoffmonoxid im Rennofen? (Es reduziert Eisenoxide) (!Es kühlt die Blasform) (!Es bindet die Luppe mechanisch) (!Es erhöht den Wassergehalt)
Warum wird Raseneisenstein häufig geröstet? (Er wird getrocknet und mürber) (!Er wird vollständig geschmolzen) (!Er wird zu Koks umgewandelt) (!Er verliert sämtliches Eisen)
Welches Bauteil führt die Verbrennungsluft in den Ofen? (Blasform) (!Amboss) (!Härtebecken) (!Schraubstock)
Was bezeichnet Gangart? (Nichtmetallische Begleitstoffe des Erzes) (!Den Luftkanal des Ofens) (!Die fertige Schwertklinge) (!Die Bewegung des Hammers)
Welche Aussage zur Schlacke ist fachlich richtig? (Sie nimmt nichtmetallische Bestandteile auf) (!Sie besteht nur aus reinem Eisen) (!Sie ersetzt die Holzkohle) (!Sie verhindert jede Reduktion)
Warum muss eine Rohlupe ausgeschmiedet werden? (Schlacke und Poren müssen vermindert werden) (!Das Erz muss erst danach geröstet werden) (!Die Holzkohle muss in Erz verwandelt werden) (!Der Ofenschacht muss gehärtet werden)
Welche Größe ist für die nutzbare Ausbeute besonders aussagekräftig? (Masse des raffinierten Halbzeugs) (!Farbe der Gichtflamme allein) (!Höhe des Ambosses) (!Länge der Schmiedezange)
Welche Gefahr ist bei einem Rennofen besonders tückisch? (Kohlenstoffmonoxid) (!Destilliertes Wasser) (!Kreide) (!Graphitstift)
Warum kann die Luppe unterschiedliche Werkstoffeigenschaften besitzen? (Der Kohlenstoffgehalt ist örtlich verschieden) (!Jede Luppe besteht aus Aluminium) (!Der Amboss löst sich im Eisen) (!Schlacke macht jeden Bereich identisch)
Memory
| Raseneisenstein | Eisenhaltige Bodenverfestigung |
| Rösten | Thermische Erzvorbereitung unter Luftzutritt |
| Blasform | Lufteintritt in den Ofen |
| Kohlenstoffmonoxid | Gasförmiges Reduktionsmittel |
| Gangart | Nichtmetallische Erzbegleiter |
| Fayalit | Häufige Phase historischer Eisenschlacke |
| Eisenluppe | Poröses metallisches Zwischenprodukt |
| Gärben | Raffinieren durch Ausschmieden und Feuerschweißen |
Drag and Drop
| Ordne die richtigen Begriffe zu. | Fachliche Funktion |
|---|---|
| Rösten | Entfernt Wasser und macht das Erz mürber |
| Reduktion | Entzieht dem Eisenoxid Sauerstoff |
| Schlackenabstich | Führt flüssige nichtmetallische Phasen aus dem Herd |
| Konsolidieren | Verdichtet die heiße Rohlupe |
| Raffinieren | Vermindert Einschlüsse und homogenisiert das Halbzeug |
Kreuzworträtsel
| Rennofen | Welcher historische Schachtofen gewinnt Eisen direkt aus Erz? |
| Holzkohle | Welcher Brennstoff liefert Wärme und Reduktionsgas? |
| Luppe | Wie heißt das poröse metallische Zwischenprodukt? |
| Schlacke | Welche nichtmetallische Schmelzphase nimmt Gangart auf? |
| Reduktion | Welcher Vorgang entzieht dem Eisenoxid Sauerstoff? |
| Blasebalg | Welches historische Gerät fördert Luft in den Ofen? |
LearningApps
Lückentext
Offene Aufgaben
Leicht
- Raseneisenstein erkennen: Erstelle ein beschriftetes Schaubild, das Farbe, Struktur, mögliche Gangart und typische Fundbedingungen einer Erzprobe zeigt.
- Fachbegriffe erklären: Nimm ein zweiminütiges Lernvideo auf, in dem Du Rennofen, Blasform, Schlacke und Luppe korrekt erklärst.
- Prozesskette ordnen: Gestalte zwölf Bildkarten von der Rohstoffgewinnung bis zum raffinierten Halbzeug und ordne sie fachlich.
- Sicherheitsplakat: Entwickle ein Werkstattplakat zu Kohlenstoffmonoxid, Hitzeschutz, Funkenflug und sicherem Abstand.
Standard
- Erzprotokoll erstellen: Plane ein Protokoll für Trocknung, Röstverlust, Siebung und nutzbare Erzmasse.
- Rennofenmodell bauen: Baue ein nicht funktionsfähiges Schnittmodell und kennzeichne Schacht, Herd, Blasform, Reaktionszone und Abstich.
- Videoanalyse Rennofen: Vergleiche zwei eingebettete Videos hinsichtlich Beschickung, Luftzufuhr, Schlackenführung und Luppenbearbeitung.
- Ausbeute berechnen: Entwickle mit selbst gewählten, plausiblen Versuchsdaten eine vollständige Stoffbilanz von Erz, Kohle, Schlacke, Rohlupe und Halbzeug.
Schwer
- Prozessdiagnose: Analysiere einen fiktiven Ofengang mit stockender Beschickung und zäher Schlacke und begründe eine sichere Reihenfolge diagnostischer Schritte.
- Werkstoffvergleich: Vergleiche Rennofenstahl, modernen unlegierten Baustahl und Gusseisen hinsichtlich Herstellung, Kohlenstoff, Schmiedbarkeit und Gefüge.
- Metallografieprojekt: Entwirf einen Untersuchungsplan für mehrere Luppenzonen mit Schliffbild, Härteprüfung, Funkenprobe und Dokumentation.
- Experimentalarchäologisches Konzept: Plane im Team einen beaufsichtigten Rennofenversuch mit Lernzielen, Rollen, Messplan, Gefährdungsbeurteilung, Materialbilanz und Auswertung.
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Lernkontrolle
- Zusammenhang von Luft und Temperatur: Erkläre, warum eine höhere Luftmenge nicht automatisch zu einer besseren Eisenqualität führt. Beziehe Temperatur, Kohlenstoffmonoxidbildung und Reoxidation ein.
- Erzqualität und Schlacke: Beurteile, wie ein hoher Sandanteil im Raseneisenstein Schlackenmenge, Holzkohleverbrauch und Metallausbeute verändern kann.
- Vom Oxid zum Halbzeug: Stelle die gesamte Stoff- und Prozesskette dar und erkläre an jeder Stufe, welche unerwünschten Bestandteile entfernt oder umgewandelt werden.
- Fehleranalyse Luppe: Eine Luppe ist groß, verliert beim Ausschmieden aber viel Masse und zerfällt. Entwickle mindestens drei begründete Hypothesen und passende Prüfungen.
- Werkstoffentscheidung: Entscheide, ob eine heterogene, teilweise härtbare Luppe direkt für ein sicherheitsrelevantes Werkzeug geeignet ist, und begründe notwendige Zwischenschritte.
- Nachhaltigkeitsbewertung: Vergleiche die historische Rennofenroute und moderne Stahlerzeugung im Hinblick auf Rohstoffnutzung, Energie, Ausbeute, Emissionen und Lernwert.
Lernnachweis
Für einen Lernnachweis solltest Du zeigen, dass Du die Entstehung und Aufbereitung von Raseneisenstein fachlich korrekt beschreiben kannst. Du solltest den Rennofen im Schnitt erklären, die Reaktionsfolge der Eisenoxide deuten und die Rollen von Holzkohle, Kohlenstoffmonoxid, Luft und Schlacke miteinander verknüpfen.
Zum praktischen Nachweis gehören ein sauberes Prozessprotokoll, eine nachvollziehbare Stoffbilanz, die Bewertung von Schlacke und Luppe sowie eine begründete Qualitätsaussage zum raffinierten Halbzeug. Ebenso wichtig sind eine Gefährdungsbeurteilung, das Erkennen von Kohlenstoffmonoxid- und Verbrennungsgefahren und die sichere Organisation der Arbeitsplätze.
Als geeignetes Abschlussprodukt gelten beispielsweise eine dokumentierte Werkstoffprobe, ein metallurgischer Untersuchungsbericht, ein Lehrvideo mit Fachkommentar oder eine Präsentation, in der Prozessdaten, Fehleranalyse und Verbesserungsmaßnahmen zusammengeführt werden.
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