Stahl

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Einleitung

Stahl, eine Legierung aus Eisen und Kohlenstoff mit einem Kohlenstoffgehalt unter 1,7 Prozent; ihr sind häufig noch andere Elemente (Eisenbegleiter sowie Stahlveredler) beigemischt.

Stahl wird aus Stahlschrott und aus Roheisen gewonnen, einer Eisen-Kohlenstoff-Legierung mit einem Kohlenstoffgehalt von mehr als 1,7 Prozent. Besondere Eigenschaften wie Schmiedbarkeit, Härte und Korrosionsbeständigkeit werden durch Beimischungen oder Wärmebehandlung erreicht. Solche Eisen- und Stahllegierungen enthalten z. B. zwischen 0,8 und 14 Prozent Mangan (Manganstahl), 10 bis 13 Prozent Silicium (säurebeständiger Stahl) oder 20 Prozent Chrom (V2A-Stahl). Das im Hochofenprozess gewonnene Roheisen und Gusseisen enthält zwischen 2 und 4 Prozent Kohlenstoff, bei hochwertigem Stahl sind es nur wenige Hundertstelprozent. Im Allgemeinen liegt der Kohlenstoffanteil bei Stahl zwischen 0,04 Prozent und 1,7 Prozent.

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Geschichte

Wann genau der Mensch die Technik der Verhüttung von Eisenerz entdeckte und erstmals verwendbares Metall produzierte, ist nicht bekannt. Die ältesten Eisengegenstände, die Archäologen in Ägypten entdeckten, stammen aus der Zeit um 4000 v. Chr. Eisenornamente wurden sogar schon früher verwendet. Die Technik der Eisenherstellung und -verarbeitung war den Hethitern in Kleinasien vermutlich ab etwa 2000 v. Chr. bekannt. Ab 1200 v. Chr. verbreitete sich das lange geheim gehaltene Wissen über diese Technik nach Europa und in andere Erdteile.

Die ersten Eisenlegierungen (Schmiedeeisen) wurden durch Erhitzen von Eisenerz und Holzkohle in einer Esse oder einem Ofen hergestellt. Im 14. Jahrhundert gelang die Entkohlung des Eisens, indem man verstärkt Luft in die glühende Mischung hineinblies (Frischfeuer). Bei diesem Verfahren wurde das Erz zu einer porösen Masse aus metallischem Eisen reduziert, die eine Schlacke aus metallischen Verunreinigungen und Holzkohlenasche enthielt. Die Oxidation der im Eisenerz enthaltenen Nebenprodukte mit Luftsauerstoff nennt man Frischen. Die fertige Masse wurde noch glühend aus dem Ofen genommen und mit schweren Schmiedehämmern bearbeitet, um die Schlacke zu entfernen und das Eisen zu verfestigen. Das so produzierte Eisen enthielt gewöhnlich etwa 3 Prozent Schlacke und wenige Prozent anderer Verunreinigungen.

1784 entwickelte der Eisenhersteller Henry Cort das so genannte Puddel-Verfahren, bei dem Roheisen in einem speziellen Flammofen zu Schweißstahl – im Prinzip auch Schmiedeeisen – weiterverarbeitet wurde. Dem vielseitigen Erfinder Henry Bessemer wurde 1855 das Patent für ein Verfahren zur Stahlherstellung aus siliciumreichem und phosphorarmem Roheisen zuerkannt. Ein Jahr später lösten die Gebrüder Friedrich und Wilhelm Siemens das Problem zur Erzeugung von sehr hohen Temperaturen. Pierre Émile Martin, unterstützt von seinem Vater Émile Martin, nutzte diese Regenerativfeuerung erstmals 1864 zur Stahlgewinnung aus Roheisen und Erz bzw. Roheisen und Eisenschrott. Diese Methode wurde später als Siemens-Martin- oder Herdfrischverfahren bezeichnet. 1877 führte Sidney Gilchrist Thomas in England das nach ihm benannte Thomas-Verfahren ein, das man auch als Windfrischverfahren bezeichnet. Mit dem Thomas-Verfahren ließ sich auch phosphorreiches Roheisen zu Stahl verarbeiten. Aus Eisenoxiderzen wird Stahl heute nach dem Sauerstoffblas- oder Oxygenstahlverfahren erzeugt und aus Stahlschrott nach dem Elektrostahlverfahren.

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Roheisenproduktion

Grundstoffe zur Herstellung von Roheisen sind Eisenoxiderz und Koks. Schwefelhaltige Eisenerze wie Pyrit werden vor der Umsetzung mit Koks im Röstverfahren in Eisenoxid umgewandelt. Je nach Art der Beimengung (Gangart) im Eisenerz werden z. B. Kalkstein (bei kieselsäurehaltigen Beimengungen) oder Feldspat (bei kalkhaltigen Beimengungen) als Zuschläge (siehe unten) zugegeben.

Die eigentliche Eisenherstellung erfolgt im Hochofen. Er besteht aus einer zylindrischen Stahlhülle mit einer feuerfesten Auskleidung, z. B. Schamott. Der untere Teil des Hochofens (Rast) hat mehrere Öffnungen, durch die Luft eingeblasen wird. In der Nähe des Bodens wird durch eine weitere Öffnung das flüssige Roheisen beim Anstechen abgelassen. Darüber liegt eine zusätzliche Öffnung zum Ablassen der Schlacke. An der Oberseite des Hochofens sind Öffnungen für die Abgase; dort wird der Hochofen auch über zwei runde Trichter mit dem Ausgangsmaterial beschickt.

Abwechselnd folgt einer Schicht Koks (Koksgicht) eine Schicht Eisenerz mit Zuschlag (Erzgicht) usw. Mit Hilfe der Zuschläge werden die Beimengungen im Erz während des Prozesses in leicht schmelzbare Schlacke überführt. So verbindet sich Kalkstein als Flussmittel mit den nicht schmelzenden Silicaten im Erz und bildet schmelzbares Calciumsilicat. Calciumsilicate und andere Verunreinigungen schwimmen als Schlacke auf dem geschmolzenen Metall. Der zur Verbrennung erforderliche Sauerstoff (auch Wind genannt) wird in Winderhitzern auf etwa 800 °C vorgewärmt und mit leichtem Überdruck (mehr als 1,6 bar bzw. 160 Kilopascal) eingeblasen. Beim Verbrennen setzt der Koks über Kohlendioxid Kohlenmonoxid frei:

(1) C + O2 ⇄ CO2

und

(2) CO2 + C ⇄ 2 CO.

Dadurch steigt die Temperatur im unteren Teil des Ofens auf 1 600 °C an. Das heiße Kohlenmonoxid gelangt in die nächstliegende Erzschicht und reduziert dort das enthaltene Eisenoxid zu metallischem Eisen. Diese chemische Reaktion kann vereinfacht durch die Gleichung

Fe2O3 + 3 CO = 3 CO2 + 2 Fe

beschrieben werden. In der anschließenden Koksschicht wandelt sich das Kohlendioxid in Kohlenmonoxid um:

CO2 + C ⇄ 2 CO.

Dieses kann dann wieder als Reduktionsmittel wirken usw. In den weniger heißen höheren Schichten zerfällt das Kohlenmonoxid gemäß der oben beschriebenen Gleichung (2) zu Kohlendioxid und sehr feinem Kohlenstoff – diese Gleichgewichtsreaktion nennt man auch Boudouard-Gleichgewicht. Der feine Kohlenstoffstaub reduziert ebenfalls Eisenoxid zu Eisen. Zusätzlich löst sich der Kohlenstoff im flüssigen Eisen auf, wodurch der Schmelzpunkt (siehe Gefrierpunkt) des reduzierten Eisens auf 1 100 bis 1 200 °C sinkt (reines Eisen schmilzt bei 1 539 °C). Das „kühlere” Metall läuft tropfenförmig durch den glühenden Koks und sammelt sich am unteren Ende des Ofens unterhalb der flüssigen Schlacke. Das Kohlenmonoxid-Kohlendioxid-Gemisch wärmt im oberen Ofenbereich (Gicht) die frischen Ausgangsmaterialien vor und entweicht als Gichtgas. Dieses Gas wird gereinigt und für andere industrielle Zwecke genutzt.

Hochöfen arbeiten im Dauerbetrieb. Das Rohmaterial, mit dem der Ofen beschickt wird, gibt man in Abständen von 10 bis 15 Minuten in kleinen Mengen in den Ofen. Schlacke wird etwa alle zwei Stunden entnommen. Zur Eisenentnahme wird der Hochofen etwa fünfmal am Tag angestochen.

Beim Anstechen wird ein Tonpfropfen aus dem Stichloch knapp über dem Boden des Hochofens herausgeschlagen. Das geschmolzene Metall fließt über eine Tonrinne in einen mit Schamott ausgekleideten Behälter, der bis zu 100 Tonnen Metall fasst. Die zusammen mit dem Eisen abfließende Schlacke wird abgeschöpft, bevor sie den Behälter erreicht. Das Roheisen wird entweder in flüssiger Form oder als gegossene Roheisenblöcke zum Stahlwerk transportiert. Gewöhnliches Roheisen besteht aus etwa 92 Prozent Eisen, 3 bis 4 Prozent Kohlenstoff sowie aus wechselnden Mengen Silicium (0,5 bis 3,0 Prozent), Mangan (0,5 bis 6,0 Prozent), Phosphor (0,1 bis 2,0 Prozent) und Spuren von Schwefel (0,01 bis 0,05 Prozent).

Bei langsamer Abkühlung scheidet sich der gelöste Kohlenstoff als Graphit aus dem Rohmaterial ab. Auf diese Weise erhält man graues Roheisen; es hat eine graue Bruchfläche. Für die Kohlenstoffabscheidung ist ein Siliciumgehalt von mehr als 2 Prozent und ein Mangananteil von weniger als 0,2 Prozent notwendig. Bei rascher Abkühlung bildet der Hauptteil des gelösten Kohlenstoffes Eisencarbid. Es entsteht weißes Roheisen mit weißer Bruchfläche, sofern der Mangangehalt höher als 4,0 Prozent ist und der Siliciumgehalt unter 0,5 Prozent liegt; der höhere Mangangehalt wirkt der Bildung von Graphit entgegen. Das graue siliciumhaltige Roheisen wird vorzugsweise zu Gusseisen weiterverarbeitet; das manganhaltige weiße Roheisen dient der Stahlerzeugung.

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Stahlerzeugung

Bei der Gewinnung von Stahl aus Roheisen werden in erster Linie die im Roheisen enthaltenen unerwünschten Begleitstoffe beseitigt, vor allem Kohlenstoff, Mangan, Silicium, Phosphor und Schwefel. Roheisen ist aufgrund seines hohen Kohlenstoffgehalts spröde und erweicht beim Erhitzen nicht allmählich, sondern schlagartig. Deshalb steht die Entkohlung des Roheisens bis zum Kohlenstoffgehalt des Stahles (Frischen) im Vordergrund. Die heute gängige Methode ist das Sauerstoffblas- oder Oxygenverfahren. Stahl aus Stahlschrott, also recycelter Stahl, wird nach dem Elektrostahlverfahren gewonnen. 2005 lag der Anteil des recycelten Stahles an der Gesamtmenge erzeugten Stahles weltweit bei über 30 Prozent.