Post on 07-Sep-2019
Vom Erz zum Stahl
Von Andre Hähnel & Tobias Bomkamp
Inhaltsverzeichnis
• Das Element Eisen
• Was ist eigentlich Erz?
• Herstellung von Roheisen Hochofenprozess
• Herstellung von Stahl Veredelung zum Stahl
• Eigenschaften von Stahl
• Quellen
Das Element Eisen ( Fe)
• Nr. 26 im PSE
• 4,7 % Massenanteil an Erdhülle
• Vermutung das der Erdkern komplett aus Fe besteht
Das Element Eisen (Fe)
• Atommasse: 55,845 u
• Elektronenkonfiguration: [Ar] 3d64s2
• Dichte: 7,874 g/ cm3
• Schmelztemperatur: 1538 °C
• Elektrische Leitfähigkeit: 1*10^7 A/(V*m)
• Elektronegativität: 1,83 (nach Pauling)
Das Element Eisen (Fe)
• 4 natürliche stabile Isotope:
• 54Fe (5,8 %), 56Fe (91,7 %), 57Fe (2,2 %) und 58Fe (0,3 %).
• Mögliche Oxidationsstufen:
• Fe2+, zumeist blass grün,
• Fe3+, zumeist intensiv orange/ gelb,
• Fe4+
• Fe6+ sehr selten
Das Element Eisen (Fe)
• Polymorph:
• Je nach Temperatur eine andere Kristallgitterstruktur:
• bis 911°C kubisch raum-zentriert (α-Eisen = Ferrit)
• Bis 1392 °C kubisch flächen zentriert (γ-Eisen = Austenit)
• Bis 1535 °C wieder kubisch raum-zentriert (δ-Ferrit)
• Magnetismus:
bis 766°C ferromagnetisch
Ab dieser Temperatur paramagnetisch
Biologische Bedeutung von Fe
• Eisen zählt mit zu den essentiellen Spurenelementen fast aller Lebewesen
• Ist Zentralatom im Hämoglobin und Myoglobin
• Wichtiger Bestandteil von Proteinen
• Verantwortlich für: Sauerstoffaktivierung, -transport
Vorkommen von Eisen
• In der Natur findet man Fe überwiegend in der Form von Erzen
• Wenige Fundorte wo Fe gediegen vorliegt
• Abbau Länder: Brasilien, China, Australien, Russland, Indien (zsm. 70% des Weltbedarfs)
• Fördermenge: im Jahr 2000 1000 Mt
• ehemals Deutschland, Frankreich, Schweden
Geschichte von Eisen
• Erste Funde vor 4000 Jahre v Chr. (Meteorit -Eisen)• 3000-2000 v. Chr. Verhüttetes Fe in Mesopotamien• 1600-1200 v. Chr. vermehrter Einsatz, löste Bronze aber noch
nicht ab, danach Übergang von der Bronzezeit in die Eisenzeit• In der Eisenzeit wurde erstmals verhüttet , • ab da war Eisen elastischer und Härter als Bronze• 550 v. Chr. Wurde in China der erste Hochofen entwickelt in
Europa erst im 14 Jhd. (Schweden) ermöglicht Gusseisen
• Ersatz von Holzkohle durch Koks und Erfindung der Dampfmaschine gelten als Beginn der industriellen Revolution
• Seit dem ist Eisen aus dem Alltag und insbesondere der Industrie nicht mehr wegzudenken.
Was ist eigentlich Erz?
• Eisenerze sind Gemenge aus chemischen Verbindungen des Eisens mit nicht eisenhaltigen Gesteinen.
• Die Hauptsächlichen Eisenverbindungen im Erz sind Eisenoxide und Eisencarbonate, Eisen Verbindungen mit Schwefel (Pyrite) sind ehr selten
Die 3 wichtigsten Erze
• Magnetit (Fe3O4):-eigentliche Strukturformel Fe3+[Fe3+Fe2+]O4 inverses Spinell: Fe3+ ist
tetraedrisch koordiniert und Fe 2+/Fe3+ ist oktaedrisch angeordnet
-Vorkommen: Kann an Stränden gefunden werden (schwarzer Sand), oder in großen natürlichen Lagerstätten in Australien, Skandinavien, USA oder auch in Deutschland
-Eisenanteil bis zu 72%
Die 3 wichtigsten Erze:
• Hämatit (Fe2O3):
-Eisengehalt bis zu 65% Eisen
-Vorkommen: USA, Deutschland, Spanien,
• Siderit:
-Eisengehalt bis zu 60%
-Vorkommen Österreich, Frankreich,
Deutschland,
Der Hochofenprozess
• Hütte
Schematischer Aufbau
Herstellung von Roheisen
• Der Hochofenprozess:
Eigenschaften Roheisen
• C-Gehalt von ca. 2 % spröde
• Nur Schmied- und Walz bar wenn C-Gehalt < 2%
• Störende Begleitelement wie etwa: P, S, Si, O2
Veredelung
• Das entstandene Roheisen muss weiter bearbeitet werden um den hochwertigen Stahl zu bekommen der in der Industrie gebraucht wird.
• Dazu werden u.a. folgende Verfahren benutzt:
• Frischen (Linz-Donawitz-Verfahren)
• Lichtbogenofen
Linz-Donawitz-Verfahren
Linz-Donawitz-Verfahren
• Über eine Sauerstofflanze wird O2 in flüssiges Roheisen geblasen exotherm
• Zur Kühlung wird alter Stahlschrott mit hinein gegeben 1250-1600°C
• Si + 2FeO SiO2 + 2Fe
• Mn + FeO MnO + Fe bilden Schlacke
• 2P + FeO P2O5 + 5Fe
Linz-Donawitz-Verfahren
Der Kohlenstoff reagiert mit dem im flüssigen Eisen gelöstenSauerstoff:C + O CO• Alle Vorgänge sind exotherm und beheizen die Schmelze• Aber: Im Stahl gelöster Sauerstoff verursacht bei Erstarrung desStahls schädliche oxydische Einflüsseflüssiger Stahl muss desoxidiert werdenwirksamstes Desoxidationsmittel: Aluminium2Al + 3O Al2O3• Entschwefelung durch Ca oder Mg: gelöster Schwefel wird in Sulfideüberführt• CO und H2 werden durch Entgasung unter vermindertem. Druck
entfernt
Lichtbogenofen
• Mit elektrischer und chemischer Energie wird das Roheisen oder Stahlschrott geschmolzen
• Durch eingesetzten Kalk entsteht wieder eine Schlacken- Schicht die vor weiterer Oxidation schützen soll
• Erneutes Frischen des Gemisches• Wird verwendet da auch Stahlschrott recycelt
wird• Energetisch günstiger• höher wertiger Stahl
Eigenschaften von Stahl
• Die Eigenschaften von Stahl sind immer abhängig von den weiteren Arbeitsschritten.
• Es gibt 5 „Hauptgruppen“:
– Schmiedestücke (z.B. Schraubenschlüssel)
– Bleche
– Rohre
– Profile (T- Träger)
– Draht
Eigenschaften von Stahl
• So kann Stahl zum einen weich und gut verformbar sein und auf der anderen Seite kann er ebenso sehr hart und spröde sein
• Durch Legieren, Wärme Behandlungen und Kaltverformen lassen sich die Eigenschaften verändern
Ausgewählte Legierungsstoffe
• Cr : steigert die Verschleißfähigkeit und Zugfestigkeit
• Ni : steigert die Zähigkeit und Streckgrenze
• Ti : verhindert interkristalline Korrosion
• Si : erhöht die Elastizität
• U.v.m.
Fazit
• Auf Grund der vielen verschiedenen Eigenschaften die beim Stahl je nach Legierung eingestellt werden können gibt es fast keine Einschränkungen für die Benutzung von Stahl
• Es wird nach Ersatzstoffen geforscht (z.B. Al und Mg Verbindungen oder Kunststoffe)
• Aber zur Zeit ist der Werkstoff Stahl nicht wegzudenken
Fragen???
Danke für die Aufmerksamkeit
Quellen
• http://www.experimentalchemie.de/bilder05/05-e/pse-gross.gif
• http://de.wikipedia.org/wiki/Eisen• http://de.wikipedia.org/wiki/Eisenerz• http://www.uniterra.de/rutherford/ele026.htm• http://www.seilnacht.com/Lexikon/26Eisen.htm#g• http://www.formteile.ch/eisen.htm• http://de.wikipedia.org/wiki/Elektrostahlverfahren• http://de.wikipedia.org/wiki/Linz-Donawitz-Verfahren• Stahl- vom Eisenerz zum Hightech-Produkt, ein Info
Film von www.stahl-info.de