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