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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(2010). Österreichischer Stahlbauverband.

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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