Eisen und Stahl
Abbildung 1: Deckblatt
Projekt von Alexander Bauer
2AHWIL
Inhaltsverzeichnis 1. Allgemeine Eigenschaften ................................................................................................................... 3
1.1 Eisen .............................................................................................................................................. 3
1.2 Stahl ............................................................................................................................................... 4
2. Geschichte ........................................................................................................................................... 4
3. Der Weg vom abgebauten Eisenerz bis zum fertigen Stahl ................................................................ 5
4. Hochofen ............................................................................................................................................. 7
4.1 Vorgang ......................................................................................................................................... 7
4.2 Chemischer Vorgang ..................................................................................................................... 7
4.3 Wichtige Begriffe ........................................................................................................................... 8
4.3.1 Schlacke .................................................................................................................................. 8
4.3.2 Gichtgas .................................................................................................................................. 8
4.3.3 Möller ..................................................................................................................................... 8
4.3.4 Koks ........................................................................................................................................ 8
5. Corex-Verfahren .................................................................................................................................. 9
6. Einteilung der Eisenwerkstoffe ............................................................................................................ 9
6.1 Wichtige Begriffe ........................................................................................................................... 9
6.1.1 Legierung .............................................................................................................................. 10
6.1.2 Grundstähle .......................................................................................................................... 10
6.1.3 Qualitätsstahle ..................................................................................................................... 10
6.1.3 Edelstähle ............................................................................................................................. 10
7. Stahlsorten nach ihrer Verwendung ................................................................................................. 10
7.1 Baustahl ....................................................................................................................................... 10
7.2 Werkzeugstahl ............................................................................................................................. 11
8. Stahlerzeugung .................................................................................................................................. 11
8.1 Blasverfahren............................................................................................................................... 11
8.1.1 Linz- Donawitz-Verfahren ..................................................................................................... 12
8.2 Herdfrischen ................................................................................................................................ 12
8.1.2 Elektrostahlverfahren ........................................................................................................... 12
8.3 Entwicklung der Stahlerzeugungsverfahren ................................................................................ 12
8.4 Die größten Stahlhersteller (von 2013) ....................................................................................... 13
8.5 Wirtschaftliche Bedeutung von Stahl .......................................................................................... 14
8.6 Anwendungen von Stahl ............................................................................................................. 14
1. Allgemeine Eigenschaften
1.1 Eisen
In der Natur kommt das Element Eisen nicht elementar vor. Man muss es aus Eisenerz gewinnen. Erze sind chemische Verbindungen von Eisen mit Sauerstoff und einigen anderen Grundwerkstoffen, die unter anderem auch Eisenoxyde genannt werden. „Die Gewinnung des Eisens erfolgt derart, dass man diese chemischen Verbindungen sprengt und somit das freigewordene Eisen aus seiner Umgebung heraus schmelzen kann.“ Im Allgemeinen ist Eisen eine Legierung von Metallen und Nichtmetallen. Diese Elemente Verändern die Eigenschaften des Eisens sehr stark, auch wenn sie nur in geringen Mengen vorhanden sind. Es ist Korrosionsbeständig, Hitzebeständig und Leitfähig für Wärme und elektrischen Strom.1
11 (Österreichischer Stahlbauverband, 2010) S2; (Dipl.- Ing. Greven) S16 (http://de.wikipedia.org/wiki/Stahl) gelesen am 9.4.2015
Name Eisen lateinisch Ferrum, (Fe)
Ordnungszahl (Kernladungszahl)
26
Massezahl 55,845 u
Aggregatzustand bei Raumtemperatur (25°C)
fest
Schmelzpunkt 1808 K (1535 °C)
Siedepunkt 3023 K (2750 °C)
Kristallgitter bei Raumtemperatur (25°C)
Kubisch Raumzentriert
Gruppe, Periode, Block 8, 4, d
Serie Übergangsmetalle
Massenanteil an der Erdhülle
4,7 %
Isotope 52Fe 53Fe 54Fe (Stabil)
55Fe
56Fe (Stabil) 57Fe (Stabil) 58Fe (Stabil) 59Fe 60Fe
Tabelle 1: allgemeine Eigenschaften
1.2 Stahl
Stahl ist eine Eisen-Kohlenstoff-Legierung die weniger als 2,06% Kohlenstoff enthält mit Ausnahme der Kaltarbeitsstähle. Chemisch betrachtet handelt es sich um eine Eisen-Eisenkarbid-Legierung. Er ist der meist verwendete metallische Werkstoff. Durch Legieren mit Kohlenstoff und anderen Legierungselementen in Kombination mit Wärme- und thermomechanischer Behandlung können die Eigenschaften des Stahls für einen breiten Anwendungsbereich angepasst werden. Um Stahl zu erzeugen muss man Eisenoxid den Kohlenstoff reduzieren. Der Vorteil des Stahls ist, dass er verformbar ist und dass er großen Belastungen standhält. Stahl ist mit 500 Mio. t pro Jahr der weltweit meistrecycelte Industriewerkstoff.2
2. Geschichte Der Mensch kennt den Werkstoff Eisen seit ca. 2.500 Jahren. Damals stellten die Römer
mithilfe eines Rennofens, der als Ton gebaut ist, Eisen her. Man konnte man an einem Tag
aus 20 kg eisenhaltigem Gestein nur 2 kg Eisen gewinnen. Im Vergleich kann man heutzutage
mit einem modernen Hochofen ca. 10.000 Tonnen pro Jahr Stahl produzieren. Die
Eisenherstellung war mit viel Zeit und großem Aufwand verbunden. Vor 250 Jahren kannte
man noch keine Verfahren das Roheisen zu veredeln. Also goss man es in Formen um
Gusseisen herzustellen, jedoch verwendete man es für geringe Belastungen, weil es sehr
spröde war und man es nicht biegen konnte. Der Brückenbogen aus Mittelengland der den
Fluss Severn überspannt, war eines der ersten großen Bauwerke, das aus reinem Gusseisen
war. Dadurch wurde die industrielle Revolution eingeläutet.3
Ironbridge, England
2 (www.chemie.de/lexikon/Stahl.html) gelesen am 9.4.2015; (http://de.wikipedia.org/wiki/Stahl) 1 (Österreichischer Stahlbauverband, 2010) S2
Abbildung 2: Ironbridge, England
Man wusste, dass der zu große Kohlenstoffgehalt für das Roheisen ein Problem war. Danach
entwickelte Henry Bessemer 1856 den Werkstoff Stahl. Ihm gelang es durch Einblasen von
Luft in eine Eisenschmelze, schmiedbaren Stahl herzustellen. Dadurch wird das Material
oxidiert und von Unreinheiten befreit. Ab diesem Zeitpunkt begann die
Massenstahlproduktion. Im Laufe der Jahrzehnte optimierte man durch neue Entwicklungen
die Stahlerzeugung. Doch jeder Stahl wird auf Basis des Bessemer Prozesses produziert. Stahl
ist der mengenmäßig bedeutendste Werkstoff. 4
3. Der Weg vom abgebauten Eisenerz bis zum fertigen Stahl
4 (Österreichischer Stahlbauverband, 2010) S4, 10; (planet-schule.de, 2015) gesehen am 9.4.2015
Abgebautes Eisenerz
Hochofen Corex-Verfahren
Roheisen
LD-Verfahren Elektrostahlverfahren Direktinduktion
Stahl
DesoxidationVakuum-
EntgasungSpülgasbehandl
ungUmschmelzverfa
hren
Stahl mit verbesserter
Qualität
Vergießen der Stähle
(Strangguss etc..)
Weiterverarbeitung der Stähle
(Walzen, Ziehen, Schmieden, etc.)
Fertiger Stahl
Abbildung 3: Der Weg vom abgebauten Eisenerz bis zum fertigen Stahl
4. Hochofen
4.1 Vorgang
Die Zonen des Hochofens sind die Vorwärmzone, Reduktionszone, Kohlungszone und Schmelzzone. Im Hochofen erfolgt die Umwandlung der Erze zu Roheisen. Der Ofen wird abwechselnd mit Kalk und Koks von Oben beschickt. Das Erz wird mit Zuschlägen aus Kalk und Ton (Möller), wodurch eine leicht schmelzbare Schlacke entsteht. Im unteren Teil des Hochofens wird vorgeheizte Luft eigeblasen. Die Erwärmung dieser Verbrennungsluft erfolgt in den durch die Gichtgase vorgewärmten Winderhitzern. Kohlenstoff wird oxidiert und Eisenoxid reduziert. Um das Roheisen zu erhalten muss man einen Abstich machen, dass Roheisen und die Schlacke ausgelassen werden.5
4.2 Chemischer Vorgang
liefert die Energie für den gesamten Prozess. → Luft wird eingeblasen → Temperaturen bis über 2000 °C werden erreicht → Kohlenstoffdioxid entsteht
Durch die Verbrennung der Luft und der Kohle entsteht Kohlenstoffmonoxid (Reduktionsmittel), das im Hochofen wirkt. Und im Ofen steigt Gichtgas auf.
Das Kohlenmonoxid steigt im Hochofen auf und reagiert mit dem Eisenerz → Eisenoxid wird Sauerstoff entzogen und verbindet sich mit dem Kohlenmonoxid → es entsteht Kohlenstoffdioxid und steigt nach oben → Schalke trennt sich von
Eisen → Schlacke und Eisen treten aus dem Hochofen6
C + O2 → CO2
Energie liefernde Verbrennung des Kokses.
CO2 + C ↔ 2 CO
Erzeugung des gasförmigen Reduktionsmittels Kohlenstoffmonoxid.
Fe2O3 + 3 CO → 3 CO2 + 2 Fe
Reduktion des Eisenoxids zu elementarem Eisen.
5 (Ing.Schönmetz & Gruber) (Dillinger, et al.) 6 (www.chemie.de/lexikon/Hochofen.html) gelesen am 9.4.2015; (planet-schule.de, 2015) gesehen am 9.4.2015
Abbildung 4: Hochofen vor Abstich
4.3 Wichtige Begriffe
4.3.1 Schlacke
Die Schlacke ist ein erstarrter Schmelzrückstand nichtmetallischer Art. Dabei handelt es sich
um ein Sauerstoffgemisch aus basischen und sauren Oxiden Die Schlacke des Hochofens ist
ein wertvoller Rohstoff, der für viele Zwecke genutzt werden kann. Z.B als Hüttensand,
Hüttensteinen bzw. -bims und Schlackenwolle, Schotter, Schlackensteinen, Zement und
Düngemittel. 7
4.3.2 Gichtgas
Gichtgas ist das Gas das im Hochofen aufsteigt. Es besteht aus Kohlenstoffmonoxid und
Stickstoff. Es wird zur Herstellung von Koks verwendet.8
4.3.3 Möller
Der Möller ist das Gemisch aus Erz und Zuschlagstoffen wie z.B Kalk, Koks und andere
Zuschläge, dass man für den Hochofenprozess benötigt.9
4.3.4 Koks
Koks ist ein stark kohlenstoffhaltiger Brennstoff mit hoher spezifischer Oberfläche, der
in Kokereien durch Wärmeeinwirkung unter Sauerstoffabschluss erzeugt wird. Koks wird für
den Hochofenprozess benötigt.10
7 https://de.wikipedia.org/wiki/Schlacke_(Metallurgie) 8 (http://de.wikipedia.org/wiki/Stahl, kein Datum) gesehen am 9.4.2015 9 9 (http://de.wikipedia.org/wiki/Stahl, kein Datum) gesehen am 9.4.2015 10 (http://de.wikipedia.org/wiki/Koks)
Abbildung 5: Schlacke eines Rennofens
5. Corex-Verfahren
Der Corex-Prozess ist ein Verfahren zur Herstellung von flüssigem Roheisen ohne
Hochofenkoks. Dieses Verfahren wurde in den 1970ern von Ralph Weber in Brasilien
entwickelt. Dieses Patent wurde 1978 von Willy Kor gekauft der die VOEST-Alpine einlud, mit
ihm den Corex-Prozess zur Industriereife weiterzuentwickeln. Das Corex-Verfahren ist ein
zweistufiges Schmelzreduktionsverfahren in dem Roheisen auf Basis nicht verkokter Kohle
und Eisenerzen hergestellt werden kann. Ziel des Schmelzreduktionsverfahrens ist es, durch
die Kombination von Schmelzprozess, Kohlevergasung und Direktreduktion flüssiges Eisen zu
erzeugen, dessen Qualität dem Hochofenroheisen entspricht. 11
6. Einteilung der Eisenwerkstoffe
Abbildung 6: Einteilung der Eisenwerkstoffe
11 (http://www.chemie.de/lexikon/Corex.html); (http://de.wikipedia.org/wiki/Corex)
6.1 Wichtige Begriffe
6.1.1 Legierung
Eine Legierung ist ein metallischer Werkstoff, der aus mindestens zwei Werkstoffen besteht wobei mindestens deren ein Metall sein muss.12
6.1.2 Grundstähle
Grundstähle sind Stahlsorten, die nicht Legiert sind, die nicht für eine Wärmebehandlung bestimmt sind (außer Glühen), deren Anforderungen an ihr Gefüge keine Maßnahmen bei der Herstellung erfordert und deren keine besonderen Gebrauchseigenschaften von ihnen verlangt. 13
6.1.3 Qualitätsstahle
Qualitätsstähle sind Stahlsorten die im Allgemeinen keine besonderen Ansprüche auf Wärmebehandlung und an Reinheitsgrad bezüglich nichtmetallischer Einschlüsse haben. Jedoch im Vergleich zu Grundstählen haben sie hinsichtlich der Sprödbruchempfindlichkeit, der Korngröße und der Verformbarkeit größere Anforderungen. 14
6.1.3 Edelstähle
Edelstähle sind Stahlsorten, die im Allgemeinen für eine Wärmebehandlung bestimmt sind und sich für ein gleichmäßiges Ansprechen auf diese Behandlung auszeichnen, die einen hohen Reinheitsgrad haben und deren chemische Zusammensetzung sehr genau sein muss.15
7. Stahlsorten nach ihrer Verwendung
Die Stahlsorten werden nach ihrer Verwendung in Baustähle und Werkzeugstähle eingeteilt.
Aus Baustählen stellt man Maschinen und Geräte her und aus Werkzeugstählen stellt man
Schneid- und Umformwerkzeuge sowie Gussformen her.
7.1 Baustahl
12 (http://de.wikipedia.org/wiki/Legierung) gelesen am 9.4.2015 13 (http://www.maschinenbau-wissen.de/skript3/werkstofftechnik/stahl-eisen/56-arten-der-eisenwerkstoffe) gelesen am 9.4.2015; (Bugers) 14 (http://www.maschinenbau-wissen.de/skript3/werkstofftechnik/stahl-eisen/56-arten-der-eisenwerkstoffe) gelesen am 9.4.2015; (Bugers) 15 (http://www.maschinenbau-wissen.de/skript3/werkstofftechnik/stahl-eisen/56-arten-der-eisenwerkstoffe) gelesen am 9.4.2015; (Bugers)
Baustähle machen über die Hälfte der weltweiten Stahlproduktion aus. Sie sind niedrig
legiert und nur teilweise wärmebehandelt. Der Kohlenstoffgehalt liegt zwischen 0 und 0,6%.
Baustähle müssen je nach Verwendung unterschiedliche Eigenschaften aufweisen:
Ausreichende Festigkeit und Zähigkeit
Gute Zerspanbarkeit
Gute Umformbarkeit, Schweißeignung
Korrosions- und Verschleißfestigkeit
7.2 Werkzeugstahl
Werkzeugstähle teilt man in Kaltarbeitsstähle, Warmarbeitsstähle und Schnellarbeitsstähle
ein. Vor ihrer Verwendung werden sie gehärtet. Sie weisen einen Kohlenstoffgehalt von ca.
0.5 - 2.2 % auf.16
8. Stahlerzeugung
Um Stahl zu erzeugen nimmt man das Roheisen (ca.4 % Kohlenstoffgehalt) und reduziert die
Kohlenstoffkonzentration auf unter 2,06%. Andere unerwünschte Begleitstoffe wie z.B
Silizium, Mangan, Schwefel und Phosphor versucht man ganz fast zu beseitigen. Nach dem
Frischen wird der Stahl nachbehandelt. Beim Frischen unterscheidet man zwischen
Blasverfahren und Herdfrischverfahren.
8.1 Blasverfahren
Beim Blasverfahren wird der Kohlenstoffgehalt mittels Sauerstoff oder Luft vermindert. Der
Oxidationsprozess liefert genug Wärme um den Stahl dabei flüssig zu halten. Man kann die
Blasverfahren in Aufblasverfahren und Bodenblasverfahren unterteilen. Zu den
Bodenblasverfahren gehören das Bessemerverfahren und in das Thomasverfahren, die aber
heutzutage keine Bedeutung mehr haben. Die Heutigen Blasverfahren werden trotzdem auf
Basis des Bessemerverfahren produziert. Das am weitesten verbreitete Aufblasverfahren ist
das Linz-Donawitz-Verfahren.
16 http://www.maschinenbau-wissen.de/skript3/werkstofftechnik/stahl-eisen/46-baustahl gesehen am
9.4.2015; http://de.wikipedia.org/wiki/Baustahl gesehen am 9.4.2015; http://mechanic.nerosch.ch/stetvw.html gesehen am 9.4.2015
8.1.1 Linz- Donawitz-Verfahren
Das Linz-Donawitz-Verfahren („LD-Verfahren“) ist ein Sauerstoffblasverfahren zur Stahlerzeugung, in dem der Kohlenstoffgehalt und andere Begleitstoffe, dem Roheisen reduziert werden. Beim LD-Verfahren wird durch einem Konverter („Tiegel“) mit flüssigem Roheisen und einem Kühlmittel (Schrott oder Eisenschwamm) Sauerstoff durch eine wassergekühlte „Lanze“ reinen Sauerstoff (ca.8-10 bar) eingeblasen. Die Blasdauer beträgt ca. 10-20 Minuten. Durch die Oxidation der Eisenbegleiter entsteht eine Durchwirbelung der Schmelze. Zur besseren Durchmischung wird Argon durch Düsen über den Boden eingeblasen. Kohlenstoff und weitere beinhaltende Zusatzwerkstoffe nehmen während dieses „Frisch“-Prozesses ab. Danach können noch Legierungselemente zugeführt werden. Erst wenn das Schmelzbad über eine Temperatur von 1600°C erreicht hat, wird abgestochen und die Schlacke über den Konverterrand abgegossen. Benannt ist das Verfahren nach den beiden österreichischen Stahlwerken Linz (Oberösterreich) und Donawitz (Steiermark), wo es in den 1950 Jahren zuerst großindustriell verwendet wurde.17
8.2 Herdfrischen
Beim Herdfrischverfahren wird in einem Konverter mit flüssigem Roheisen, Stahlschrott und
Eisenschwamm zugeführt, damit der Kohlenstoffgehalt reduziert wird. Dem Konverter muss
extern Wärme zugeführt werden. Das „Siemens-Martin-Verfahren“ wurde durch das „LD-
Verfahren“ abgelöst und findet heutzutage keinen Niederschlag.18
8.1.2 Elektrostahlverfahren
Die zweitwichtigste Möglichkeit Stahl zu erzeugen, ist das Elektrostahlverfahren. Es wird mit
einem Lichtbogen- oder mit einem Induktionsofen gearbeitet. Der Ofen wird mit Schrott,
Kalk und eventuell Roheisen oder Eisenschwamm beschickt. Mit Lichtbogenöfen wird
bevorzugt Stahlschrott zu Stahl recyceln. Beim Lichtbogenofen entsteht ein Lichtbogen
zwischen Kohleelektrode und Stahlschmelze. Dabei werden die Zusatzstoffe oxidiert. Es
werden Temperaturen bis zu 3500°C erreicht. Dient zur Herstellung von Baustählen,
Qualitätsstählen und Rostfreistählen.19
8.3 Entwicklung der Stahlerzeugungsverfahren
17 (http://de.wikipedia.org/wiki/Linz-Donawitz-Verfahren) gesehen am 9.4.2015 (http://www.chemie.de/lexikon/Linz-Donawitz-Verfahren.html) gesehen am 9.4.2015; (https://www.voestalpine.com/group/de/presse/presseaussendungen/2012-11-27-voestalpine-feiert-60-jahre-ld-verfahren.html) gesehen am 9.4.2015 18 http://de.wikipedia.org/wiki/Stahlerzeugung
19 (http://de.wikipedia.org/wiki/Stahl); (Dillinger, et al.)
Entwicklung der Marktanteile der verschiedenen Stahlerzeugungsverfahren. An der
Abbildung 7 kann man erkennen, dass heutzutage das Linz-Donawitz-Verfahren die meiste
Anwendung hat.
8.4 Die größten Stahlhersteller (von 2013)
Liste der größten Stahlhersteller
Produktion in Millionen Tonnen
Abbildung 7: Entwicklung der Stahlerzeugungsverfahren
In China wird insgesamt der meiste Stahl hergestellt.
Die voestalpine liegt dabei auf Platz 43 mit 8 Millionen Tonnen Stahl pro Jahr.20
8.5 Wirtschaftliche Bedeutung von Stahl
Die Weltrohstahlproduktion hat 2013 einen neuen Höchststand mit 1607 Mio. t erreicht.
Nach Prognosen von PricewaterhouseCoopers soll die weltweite Stahlnachfrage bis 2025 um
mehr als 60 % auf 2,5 Mrd. t steigen. Stahl ist mittlerweile wegen seiner vielfältigen
Verwendbarkeit in allen Produktbereichen zu finden und damit weltweit ein „Grundstoff“
moderner Ökonomien und Gesellschaften. 2012 setzte die Stahlindustrie weltweit 800 Mrd.
Dollar um und beschäftigte 8 Mio. Menschen. 21
8.6 Anwendungen von Stahl
Heutzutage wird Stahl
In der Mobilität
Im Bauwesen
In der Energietechnik
Im Maschinen- und Anlagenbau
Im Stahl im Alltag
angewendet.22
20 (https://de.wikipedia.org/wiki/Liste_der_gr%C3%B6%C3%9Ften_Stahlhersteller) gesehen am 2.5.2015
21 (http://de.wikipedia.org/wiki/Stahl) 22 (http://www.stahl-online.de/index.php/themen/stahlanwendung/)
Abbildung 8: Die größten Stahlhersteller (von 2013)
Literaturverzeichnis bernd-nebel.de. (kein Datum). Abgerufen am 1. 4 2015 von http://www.bernd-
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am 1. 4 2015 von http://www.chemie.de/lexikon/Stahl.html
Abbildung 1: Deckblatt ............................................................................................................................ 1
http://www.metaltorg.ru/analytics/black/?id=539 gesehen am 2.5.2015
Abbildung 2: Ironbridge, England ............................................................................................................ 4
http://www.bernd-
nebel.de/bruecken/index.html?/bruecken/3_bedeutend/ironbridge/ironbridge.html gesehen am
2.5.2015
Abbildung 3: Der Weg vom abgebauten Eisenerz bis zum fertigen Stahl ............................................... 6
(Dillinger, et al.)
Abbildung 4: Hochofen vor Abstich ......................................................................................................... 7
(planet-schule.de, 2015) gesehen am 2.5.2015
Abbildung 5: Schlacke eines Rennofens .................................................................................................. 8
https://de.wikipedia.org/wiki/Schlacke_(Metallurgie) gesehen am 2.5.2015
Abbildung 6: Einteilung der Eisenwerkstoffe .......................................................................................... 9
(http://www.maschinenbau-wissen.de/skript3/werkstofftechnik/stahl-eisen/56-arten-der-
eisenwerkstoffe, kein Datum) gesehen am 2.5.2015
Abbildung 7: Entwicklung der Stahlerzeugungsverfahren .................................................................... 13
https://de.wikipedia.org/wiki/Stahlerzeugung gesehen am 2.5.2015
Abbildung 8: Die größten Stahlhersteller (von 2013) ............................................................................ 14
https://de.wikipedia.org/wiki/Liste_der_gr%C3%B6%C3%9Ften_Stahlhersteller gesehen am 2.5.2015
Tabelle 1: allgemeine Eigenschaften ....................................................................................................... 3
(http://de.wikipedia.org/wiki/Stahl, kein Datum) (Hoppe) gesehen am 2.5.2015