WERKSTOFFE 2 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Dezember 2013 WERKSTOFFE 2 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Dezember 2013 2 2. METALLISCHE WERKSTOFFE 2.1.EIGENSCHAFTEN DER METALLE 2.2.HERSTELLUNG VON EISEN UND STAHL 2.3.EINTEILUNG UND KENNZEICHNUNG 2.4.STAHLGRUPPEN WERKSTOFFE 2 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Dezember 2013 3 LERNZIELE Nach der Vorlesung sind Sie in der Lage... ...die wichtigsten mechanischen, elektrischen, magnetischen, thermischen und optischen Eigenschaften der Metalle anschau-lich zu erlutern, insbesondere elastische & plastische Verformung Festigkeit Verformbarkeit & Gleitsysteme Verfestigungsmechanismen Bndermodell Dia-, Para- und Ferromagnetismus Hysterese WERKSTOFFE 2 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Dezember 2013 4 LERNZIELE ...die Herstellung von Eisen und Stahl (Hochofen, Frischen, Elektrostahl) sowie die Weiterverarbeitung von Stahl (Sekun-drmetallurgie, Formgebung) detailliert zu beschreiben ...neue Verfahrenswege zur Stahlherstellung (Direkt-/ Schmelzreduktion) darzustellen ...Sthle einzuteilen und zu kennzeichnen ...sich sicher innerhalb der verschiedenen Stahlgruppen zurechtzufinden.WERKSTOFFE 2 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Dezember 2013 5 Einfhrung WERKSTOFFE 2 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Dezember 2013 6 Allgemeines Metalle bzw. Legierungen sind wegen ihrer Vielseitigkeit die wichtigsten Werkstoffe im Maschinenbau (z.B. >2000 Stahlsorten!) hohe Elastizittsmodule sorgen fr eine hohe Steifigkeit ( Konstruktions- bzw. Strukturwerkstoffe) kologisch wertvoll: Metalle besitzen in der Regel eine ausgezeichnete Re-cyclingfhigkeitWiederverwertbarkeit ohne nennenswerten Qualitts-verlust Bedeutung der metallischen WS WERKSTOFFE 2 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Dezember 2013 7 chemisch/geologisch 71 aller 94 (ca. 76%) natrlich vorkommenden Elemente sind MetalleBedeutung der metallischen WS WERKSTOFFE 2 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Dezember 2013 8 GesamterdeErdkruste Hufigkeit der Elemente WERKSTOFFE 2 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Dezember 2013 9 relative Hufigkeit der Elemente WERKSTOFFE 2 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Dezember 2013 10 PlatzElementHufigkeit in % 1Aluminium, Al8,23 2Eisen, Fe5,60 3Calcium, Ca4,15 4Natrium, Na2,36 5Magnesium, Mg2,33 6Kalium, K2,09 7Titan, Ti0,565 8Mangan, Mn0,095 9Barium, Ba0,043 10Strontium, Sr0,037 Hufigkeit der MetalleErdkruste (Top 10) WERKSTOFFE 2 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Dezember 2013 11 METALLISCHE WERKSTOFFE Eisen-Werkstoffe Qualitts- stahl EdelstahlGrauguStahlguTempergu Gueisen mit Kugelgraphit Edelmetalle unedleMetalle Schwer-metalle Gu-legierungen Knet-legierungen Leicht- metalle Nichteisen-Werkstoffe Reinmetalle Nichteisen-legierungen StahlGueisen Systematik der metallischen WS WERKSTOFFE 2 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Dezember 2013 12 Metalle 4 bedeutende Hauptgruppenmetalle >26 bedeutende Nebengruppenmetalle 14 Seltenerdmetalle (Lanthanoide) Metalle im PSE WERKSTOFFE 2 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Dezember 2013 13 bergangsmetalle WERKSTOFFE 2 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Dezember 2013 14 Auffllung innerer Elektronenniveaus(d-Unterschale) 3d-Metalle: 21Sc 30Zn 4d-Metalle: 39Y 48Cd 5d-Metalle: 57La 80Hg ( 4f-Metalle:Lanthanoide) 6d-Metalle: 89Ac 112Cn ( 5f-Metalle: Actinoide) Besetzung der Orbitale nach HUNDscher Regel - Ausnahmen: besondere Sta-bilitt der halb- bzw. vollbesetzten d-Schale (d5- bzw. d10-Konf.) Chrom, Cr 3d5 4s1 statt 3d4 4s2

Gold, Au 5d10 6s1 statt 5d9 6s2 u.a. bergangsmetalle WERKSTOFFE 2 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Dezember 2013 15 sehr wichtige Werkstoffe wegen besonderer Eigenschafen: hohe Zugfestigkeiten hohe Dichte hohe Schmelzpunkte gute Katalysatoren asymmetrische Hydrierung nach NOYORI N2 (g) + 3 H2 (g) 2 NH3 (g) Eisen-Katalysator HABER-BOSCH-Verfahren bergangsmetalle WERKSTOFFE 2 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Dezember 2013 16 Metalle der 4. bis 6. Nebengruppe (nach refracterius, lat. widerspenstig) besondere Eigenschaften: hochschmelzend (Fp. >1800 C) korrosionsbestndig (wegen Passivierung) niedrige Wrmeausdehnung Einsatzgebiete: Bauteile in Hochtemperaturanlagen hochkorrosionsfeste Komponenten in der chemischenVerfahrenstechnik Schaltkontakte in der Elektrotechnik Refraktrmetalle WERKSTOFFE 2 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Dezember 2013 17 Lanthanoide (Seltenerdmetalle) WERKSTOFFE 2 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Dezember 2013 18 Auffllung der 4f-Unterschale: 57La 71Lu viele Spezialanwendungen in sogenannten Schlsseltechnologien fr Stromsparlampen, Abgaskatalysatoren, Flachbildschirme, Festplatten, spezi-elle Magnete Weltmarktprobleme aufgrund Monopolstellung Chinas: Lanthanoide (Seltenerdmetalle) WERKSTOFFE 2 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Dezember 2013 19 Lanthanoide (Seltenerdmetalle) WERKSTOFFE 2 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Dezember 2013 20 Eigenschaften der Metalle WERKSTOFFE 2 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Dezember 2013 21 physikalische Eigenschaften Dichte Schmelzpunkt mechanische Eigenschaften Zugfestigkeit Hrte elektrische Eigenschaften Leitfhigkeit Temperaturabhngigkeit magnetische Eigenschaften Ferromagnetismus Diamagnetismus, Paramagnetismus chemische Eigenschaften Korrosionsbestndigkeit Reduktionsvermgen technologische Eigenschaften thermische Eigenschaften Leitfhigkeit Wrmeausdehnung optische Eigenschaften Glanz Farbe WERKSTOFFE 2 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Dezember 2013 22 physikalische Eigenschaften WERKSTOFFE 2 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Dezember 2013 23

Li 0,5 Mg 1,7 Al 2,7 Ti 4,5 V 6,1 Zn 7,1 Cr 7,2 Sn 7,3 Mn 7,4 Co 8,9 Ni 8,9 Cu 9,0 Mo 10,2 Ag 10,5 Fe 7,9 Hg 13,5 Au19,3 W 19,3 Pt 21,5 Os 22,6 LEICHTMETALLE = SCHWERMETALLE physikalische Eigenschaften physikalische Eigenschaften Dichte Schmelzpunkt Dichte (in g/cm3) WERKSTOFFE 2 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Dezember 2013 24 physikalische Eigenschaften Li 181 Mg 650 Al 659 Ti 1670 V 1890 Cr 1903 Sn 232 Mn 1244 Co 1493 Ni 1455 Cu 1083 Ag 962 Hg -39 Au 1064 Fe 1536 MITTELSCHMELZENDE METALLE =Mo 2620 W 3390 Os 3130 SCHMELZENDE METALLE Pt 1769 HOCH-NIEDRIGSCHMELZENDE= METALLEZn 420 physikalische Eigenschaften Dichte Schmelzpunkt Schmelzpunkte (in C) WERKSTOFFE 2 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Dezember 2013 25 physikalische Eigenschaften mechanische Eigenschaften Zugfestigkeit Hrte WERKSTOFFE 2 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Dezember 2013 26 physikalische Eigenschaften mechanische Eigenschaften eines Werkstoffes sind nicht nur von der Struk-tur, sondern auch in starkem Mae vom Gefge (Korngre/-form) abhngig besonders wichtig: Verformbarkeit/FestigkeitBruchverhalten mechanische Eigenschaften Zugfestigkeit Hrte elastische Verformung plastische Verformung Einfhrung WERKSTOFFE 2 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Dezember 2013 27 physikalische Eigenschaften Dehnung (Lngennderung) Torsion (Winkelnderung) Lngennderungen(= Abstandsnderungen der Atome) im Gitter erfordern groe Krfte BRUCH mechanische Eigenschaften Zugfestigkeit Hrte EinfhrungArten der Verformung WERKSTOFFE 2 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Dezember 2013 28 Elastizittsmodul WERKSTOFFE 2 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Dezember 2013 29 physikalische Eigenschaften Spannungs-Dehnungs-Kurve HOOKEsches Gesetz: = E Elastizittsmodul E (YOUNGs modulus) Werkstoffe 3 mechanische Eigenschaften Zugfestigkeit Hrte WERKSTOFFE 2 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Dezember 2013 30 physikalische Eigenschaften Metalle: E 30 300 GPa Elastizittsmodul E (YOUNGs modulus) mechanische Eigenschaften Zugfestigkeit Hrte WERKSTOFFE 2 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Dezember 2013 31 physikalische Eigenschaften Zusammenhalt von Atomen in Metallkristallenberuht auf Bindungen, die sich wie kleine Fe- dern verhalten( Werkstoffe 1.1. LENNARD-JONES-Potential) Steifigkeit: S0 = (d2U/dr2)r = r0

(F = Fmax bzw. dF/dr =0) Elastizittsmodul E (YOUNGs modulus) mechanische Eigenschaften Zugfestigkeit Hrte WERKSTOFFE 2 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Dezember 2013 32 physikalische Eigenschaften kleine Dehnungen: S0 = const (Fe- derkonstante der Bindung) Kraft F zwischen zwei Atomen, dieum eine Strecke r ( r0) auseinan- dergezogen werden: F = S0 (r r0) ( HOOKEsches Gesetz: F = D s) Streckung der Ebenen um r r0

N = A/r02

Elastizittsmodul E (YOUNGs modulus) mechanische Eigenschaften Zugfestigkeit Hrte A WERKSTOFFE 2 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Dezember 2013 33 physikalische Eigenschaften es gilt fr die Spannung: = N S0 (r r0) mit der Dehnung = 1/r0 (r r0): = 1/r02 S0 (r r0) = S0/r0 daraus folgt fr den E-Modul: E = / = S0/r0 Vergleich mit realen Werten zeigt: Metalle/Keramiken: E in richtiger Gren- ordnung Paradoxon: reale E-Moduln von Kunststoffen u.. weisen deutlich niedrigere Werte (bisFaktor 100) auf als die theoretischen Elastizittsmodul E (YOUNGs modulus) mechanische Eigenschaften Zugfestigkeit Hrte WERKSTOFFE 2 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Dezember 2013 34 physikalische Eigenschaften MetallE in GPa MetallE in GPa MetallE in GPa Aluminium, Al55Kupfer, Cu125Silber, Ag81 Blei, Pb16Magnesium, Mg45Tantal, Ta188 Cadmium, Cd63Mangan, Mn201Titan, Ti110 Chrom, Cr190Molybdn, Mo336Vanadium, V150 Cobalt, Co213Nickel, Ni215Wolfram, W415 Eisen, -Fe210Osmium, Os570Zink, Zn94 Gold, Au79Platin, Pt173Zinn, -Sn55 Iridium, Ir530Rhodium, Rh280Zirkonium90 Elastizittsmodul E (YOUNGs modulus) mechanische Eigenschaften Zugfestigkeit Hrte WERKSTOFFE 2 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Dezember 2013 35 physikalische Eigenschaften Temperaturabhngigkeit von E mechanische Eigenschaften Zugfestigkeit Hrte WERKSTOFFE 2 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Dezember 2013 36 Schubspannung WERKSTOFFE 2 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Dezember 2013 37 physikalische Eigenschaften analoge Betrachtungen (E-Modul) gelten fr die Schubspannung ( Schub-modul G [shear modulus], G = 1/ bzw. G 3E/8) Bei jeder ueren Belastung in den einzelnen Schnittebenen durch den Werk-stoff treten Schubspannungen auf!Schubspannung (shear stress) mechanische Eigenschaften Zugfestigkeit Hrte WERKSTOFFE 2 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Dezember 2013 38 physikalische Eigenschaften Schubspannung (shear stress) Schub-spannungen Gleitverformungen (auf gleitfhigen Gitterebenen) klein Winkelnderung des Gitter = 0 Verformung verschwindet elastische Verformung > 0 kritischer Wert Atome einer Gitterebene geraten in Wirkungsfeld der Nachbarn sprunghafte Bewegung auf den nchsten Gitterplatz plastische Verformung mechanische Eigenschaften Zugfestigkeit Hrte WERKSTOFFE 2 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Dezember 2013 39 physikalische Eigenschaften Schubspannung (shear stress) schematischer Vorgang mechanische Eigenschaften Zugfestigkeit Hrte WERKSTOFFE 2 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Dezember 2013 40 physikalische Eigenschaften Schubspannung (shear stress) Gleiten in Einkristallen mechanische Eigenschaften Zugfestigkeit Hrte WERKSTOFFE 2 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Dezember 2013 41 physikalische Eigenschaften Abgleiten ganzer Gleitebenen erfordert eine theoretische Spannung th, die 1000 bis 10000mal grer als tatschlich gemessene Spannungen ist: MetallCd (hdP)Cu (krz)Fe (krz) th in MPa 20042008000 0 in MPa0,50,614 Schubspannung (shear stress) Vorgang der plastischen Verformung mu anders ablaufen! mechanische Eigenschaften Zugfestigkeit Hrte WERKSTOFFE 2 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Dezember 2013 42 Festigkeitidealer Kristalle WERKSTOFFE 2 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Dezember 2013 43 physikalische Eigenschaften theoretisches Verstndnis und Abschtzung von Streckgrenzen theoretische Festigkeit th eines idealen Kristalls: F/r0 ~ E r > 2r0 (bzw. relative Dehnung = r/r0 1 > 1) interatomare WW fallen auf vernachlssigbare Werte ab ( 0) th (= max) wird erreicht fr 1,25 r0

Festigkeit (strength) idealer Kristalle mechanische Eigenschaften Zugfestigkeit Hrte WERKSTOFFE 2 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Dezember 2013 44 physikalische Eigenschaften > max: Bruch, d.h. Lsen der Bindung nach Abb. rechts gilt: = E 2max E 0,25 r0/r0 E/4 max E/8 Festigkeit (strength) idealer Kristalle mechanische Eigenschaften Zugfestigkeit Hrte max Rm WERKSTOFFE 2 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Dezember 2013 45 physikalische Eigenschaften verfeinerte Abschtzungen (mit re- alen interatomaren Potentialen): max E/15 normierte Streckgrenze: Rp/E Festigkeit (strength) idealer Kristalle 1/15 Glser & Keramiken besitzen nahezu ideale Festigkeit; Kunststoffe weisen geringe Abweichungen von idealer Festigkeit ab Streckgrenzen aller Metalle liegen deutlich (bis 105) unter vorausgesagter Gre!!! Mechanismus? mechanische Eigenschaften Zugfestigkeit Hrte WERKSTOFFE 2 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Dezember 2013 46 plastische Verformung WERKSTOFFE 2 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Dezember 2013 47 physikalische Eigenschaften plastische Verformung Ausschnitt aus einer Gitterebene mit einer Stufenversetzung ; Atomabstnde AB = BC Gleichgewicht der Bindungskrfte Schubspannung Ver-zerrung des Gitters; Atomabstnde AB BC Strung des Gleich-gewichts Verlagerung der Atome, als deren Folge die Ato-me CDE die gleiche Lage zueinander einnehmen, wie ABC zuvor; neues Gleichgewicht Versetzungen mechanische Eigenschaften Zugfestigkeit Hrte WERKSTOFFE 2 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Dezember 2013 48 physikalische Eigenschaften plastische Verformung weiterhin anliegende SpannungSt-rung des Gleichgewichts bleibt erhalten Wanderung der Versetzung, bis sie die freie Oberflche des Kristalls erreicht und dort Stufe bildet (d)/(e) oder auf ein Hindernis (z.B. Korngrenze) stt Versetzungen mechanische Eigenschaften Zugfestigkeit Hrte WERKSTOFFE 2 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Dezember 2013 49 physikalische Eigenschaften plastische Verformung Vergleich der Versetzungsbewegung mit der Faltenwanderung in einem Teppich Spannung, die zum Bewegung einer Verset- zung erforderlich ist, auch erheblich hher alsgemessene Werte fr 0 Ursache: Gitterfehlstellen, die die Bewegungbehindern (bei einer Teppichfalte z.B. Tisch- beine) Versetzungen mechanische Eigenschaften Zugfestigkeit Hrte WERKSTOFFE 2 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Dezember 2013 50 physikalische Eigenschaften plastische Verformung Stufenbildung an der freien Oberflche:Bildung von Gleitlinien & Gleitlinienbndern

Ursache des Mattwerdens polierter Metall-oberflchen bei plastischer Verformung Klettern von Stufenversetzungen: Verlassen der Gleitebene durch Anlagerung von Leerstellen hhere Leerstellendichte/Temperaturen er- forderlich (Kriechvorgang) Versetzungen mechanische Eigenschaften Zugfestigkeit Hrte WERKSTOFFE 2 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Dezember 2013 51 physikalische Eigenschaften plastische Verformung Verformungszwillinge Gitterbereiche klappen in andere Orientierungs-richtung um besonders bei hdp-Metallen mit ihren begrenzten Gleitsystemen Versetzungen mechanische Eigenschaften Zugfestigkeit Hrte WERKSTOFFE 2 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Dezember 2013 52 Verformbarkeit & Gleitsysteme WERKSTOFFE 2 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Dezember 2013 53 physikalische Eigenschaften Verformbarkeit von Metallen weist besonders anisotrope Eigenschaften auf:nur solche Gitterebenen gleiten aufeinander, die am dichtesten mit Atomen besetzt sind: zur Versetzung dichtest gepackter Ebenen sind viel geringere Schubspan-nungen erforderlich als auf Ebenen mit weniger dichten Atompackungen Verformbarkeit & Gleitsysteme mechanische Eigenschaften Zugfestigkeit Hrte WERKSTOFFE 2 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Dezember 2013 54 physikalische Eigenschaften Verformbarkeit & Gleitsysteme Gleitebenen Gitterebenen zwischen dendichtest gepackten Kugelschichten HauptgleitebenenNebengleitebenen 1 Basisebene (a) und alledazu parallel liegenden Nebengleitebenen: Prismenauenflchen(weniger dicht gepackt)mechanische Eigenschaften Zugfestigkeit Hrte WERKSTOFFE 2 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Dezember 2013 55 physikalische Eigenschaften Verformbarkeit & Gleitsysteme Hauptgleitebenen: 4 Tetraeder-flchen (b) und alle parallelen Ebenen Nebengleitebenen: Wrfelauenflchen viele weniger dichtgepackte Gleitebenen mechanische Eigenschaften Zugfestigkeit Hrte WERKSTOFFE 2 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Dezember 2013 56 physikalische Eigenschaften Verformbarkeit & Gleitsysteme Gleitrichtung Verschiebung unterErhaltung der Schichtfolge(bei geringstem Energieaufwand) 3 Gleitrichtungen (Flchendiagonalen)bei dichtesten Kugelpackungen (sonst Stapelfehler) GleitrichtungenGleitebene(n) Gleitsysteme (mit Gleitmglichkeiten) hdP kfz4 Gleitebenen3 Gleitrichtungen12 Gleitsysteme 1 Gleitebene3 Gleitrichtungen3 Gleitsysteme mechanische Eigenschaften Zugfestigkeit Hrte WERKSTOFFE 2 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Dezember 2013 57 physikalische Eigenschaften Verformbarkeit & Gleitsysteme hexagonal kristallisierende WS WS mitkfz-Gitter gute Verformbarkeit schlechte Verformbarkeit Knetwerkstoffe enthalten hufig Al/Cu (kfz) als Basismetall Zn/Mg-Legierungen (hdP) sind fast ausschlielich Guwerkstoffe! praktische Folgen der Gleitsysteme mechanische Eigenschaften Zugfestigkeit Hrte WERKSTOFFE 2 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Dezember 2013 58 physikalische Eigenschaften GitterkfzkrzhdP Hauptgleitebenen 4 Tetraederflchen (und alle dazu paral-lelen) {111} 6 Dodekaederebenen mit der Raumdiago-nalen {110} 1 Basisebene (und alle dazu parallelen) {0001} weitere mgliche Gleitebenen 8 Wrfelauenflchen {110} 6 Flchen mit der Raumdiagonalen {110}, dazu 12mal {112} u. 24 mal {111}8 Prismenauen-flchen {1010} Gleitrichtungen 3mal in Richtung der Flchendiagonale 2mal in Richtung der Raumdiagonale 3 Richtungen unter 120 Gleitsysteme 12 (+8) mit kleinen Krften sehr stark verformbar 12 (+12+24) mit groen Krften stark verformbar 3 (+8) mit niedrigen Krften nur gering verformbar {110}: Gesamtheit der Tetraederflchen; : Gesamtheit der Flchendiagonalen Verformbarkeit & Gleitsysteme mechanische Eigenschaften Zugfestigkeit Hrte WERKSTOFFE 2 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Dezember 2013 59 Verfestigung WERKSTOFFE 2 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Dezember 2013 Versetzungen laufen selten bis an die KristalloberflcheZahl der Verset-zungen nimmt (entgegen der Erwartung) nicht ab, ebenso wenig wie Gitter-spannung Resultat: Zunahme der mechanischen Festigkeit eines Werkstoffes durch plastische Verformunghhere Spannung erforderlich, um Versetzungen zu bewegen! 60 physikalische Eigenschaften Verfestigung (work hardening) Mechanismen Korngrenzen-verfestigung Kaltverfestigung Ausscheidungs-verfestigung Mischkristall-verfestigung plastische Verformung mechanische Eigenschaften Zugfestigkeit Hrte WERKSTOFFE 2 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Dezember 2013 Bewegung von Versetzungen wird durch Korngrenzen (hoher Energiegehalt) verhindert/eingeschrnkt bzw aufgehalten und bewirken durch ihre absto-ende Kraft auf nachfolgende Versetzungen einen Versetzungsaufstau 61 physikalische Eigenschaften Verfestigung (work hardening)Korngrenzenverfestigung mechanische Eigenschaften Zugfestigkeit Hrte WERKSTOFFE 2 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Dezember 2013 auch Dispersionshrtung:Einschlsse im Gefge als Hindernisse OROWAN-Mechanismus (1934): grere dispergierte Teilchen stellen strkereHindernisse dar Gleiten wird von nahe beieinander liegenden Teilchen behindert weitere Versetzungsringe werden erzeugt 62 physikalische Eigenschaften Verfestigung (work hardening)Ausscheidungsverfestigung mechanische Eigenschaften Zugfestigkeit Hrte WERKSTOFFE 2 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Dezember 2013 Versetzungslinie wandert von unten auf zwei Teil- chen zu und umschliet diese manderfrmigdurch Spannungserhhung um Schlingen (OROWAN loops) verbinden sich hinterdem Teilchen; Versetzungslinie lst sich nachkommende Versetzungen hinterlassen eben- falls (engere) VersetzungsringeFestigkeit ^ 63 physikalische Eigenschaften Verfestigung (work hardening)Ausscheidungsverfestigung mechanische Eigenschaften Zugfestigkeit Hrte WERKSTOFFE 2 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Dezember 2013 Versetzungslinien erzeugen whrend der Verformungstndig neue Versetzungen(sogenannte FRANK-READ- Quelle) 64 physikalische Eigenschaften Verfestigung (work hardening)Ausscheidungsverfestigung mechanische Eigenschaften Zugfestigkeit Hrte WERKSTOFFE 2 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Dezember 2013 65 physikalische Eigenschaften FRANK-READ-Quelle: Mechanismus zur Beschreibung der Entstehung neuer Versetzungslinien Versetzung nur in einem geschlossenen Linienzugzwischen A und B beweglich (nur dieser Abschnittliegt in einer Gleitebene) Wirkung einer Schubspannung Versetzungwill sich bewegen, wird aber in A und B festge- halten, weil der geschlossene Linienzug erhaltenbleiben muDurchbiegen der Linie Verfestigung (work hardening)Ausscheidungsverfestigung mechanische Eigenschaften Zugfestigkeit Hrte WERKSTOFFE 2 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Dezember 2013 66 physikalische Eigenschaften gegenseitige Beeinflussung parallel verlaufender Ab- schnitte der Versetzungslinie fhrt ber Zwischensta- dien zu einem Zustand, in dem die aufeinander zulau- fenden Teile der Versetzung sich gegenseitig aufhe- ben (Neu-)Entstehung der ursprnglichen Linie A-B undeines zustzlichen Versetzungsrings Verfestigung (work hardening)Ausscheidungsverfestigung mechanische Eigenschaften Zugfestigkeit Hrte WERKSTOFFE 2 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Dezember 2013 67 physikalische Eigenschaften weiterhin anliegende SchubspannungWiederholung des VorgangsProduktion stndig neuer Versetzungs- ringe Folge: Versetzungsdichte in kaltverformten Metallenist um Zehnerpotenzen grer als in unverformten Versetzungsringe reagieren wiederum mit ande- ren Hindernissen oder Ringen, die in weiterenQuellen erzeugt werden Netzwerke von Ver- setzungen Verfestigung (work hardening)Ausscheidungsverfestigung mechanische Eigenschaften Zugfestigkeit Hrte WERKSTOFFE 2 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Dezember 2013 68 Fliekurve WERKSTOFFE 2 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Dezember 2013 69 physikalische Eigenschaften gegenseitige Beeinflussung der Versetzungen er- fordert stetige Erhhung der Spannungen zu ihrerBewegung und Erzeugung Folge: Widerstand gegen plastische Verformungsteigt, das Metall verfestigt sich Fliekurve: Abhngigkeit der erforderlichen Span- nung von der Verformung Fliekurve mechanische Eigenschaften Zugfestigkeit Hrte WERKSTOFFE 2 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Dezember 2013 70 physikalische Eigenschaften Flieen: Dehnungszunahme ohne gleichzeitige Spannungszunahme bei einer plastischen Verformung Cave: Unterscheidung Flieen Kriechen/Relaxation (Werkstoffe 3 Werk-stoffprfung/Zugversuch) Fliekurve mechanische Eigenschaften Zugfestigkeit Hrte WERKSTOFFE 2 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Dezember 2013 71 physikalische Eigenschaften Beispiel Einkristall (kfz-Raumgitter): drei bzw. vierTeilbereiche der Verformung < i: Verformung rein elastisch, SteigungSchub- modul G = i: erste Abgleitungen um mindestens einen Atom- abstand Bereich I:plastische Verformung ohne nennenswerteVerfestigung (keine WW zwischen den Versetzungen) Fliekurve mechanische Eigenschaften Zugfestigkeit Hrte WERKSTOFFE 2 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Dezember 2013 72 physikalische Eigenschaften Bereich II: lineare Verfestigung (durch zunehmendeWW), Steigung G/300 (Verfestigungskoeffizient) Bereich III: Verfestigungskoeffizient nimmt ab Schubspannungen sind so hoch, da die Versetzun- gen ihre Gleitebenen verlassen und Hindernissen aus- weichen knnen (Quergleiten) Fliekurve mechanische Eigenschaften Zugfestigkeit Hrte WERKSTOFFE 2 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Dezember 2013 73 physikalische Eigenschaften Fliekurve technische Metalle sind polykristallin Fliekurve: (Normal)Spannungs-Dehnungs-Diagramm Formvernderungsfestigkeit kf: (wahre) Normalspan- nung Fliespannung f setzt sich aus verschiedenen Beitr- gen zusammen mechanische Eigenschaften Zugfestigkeit Hrte WERKSTOFFE 2 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Dezember 2013 74 physikalische Eigenschaften elektrische Eigenschaften Leitfhigkeit Temperaturabhngigkeit WERKSTOFFE 2 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Dezember 2013 Interferenz bei Annherung der Atome: 2n AO spalten in n - und n *-MO (PAU-LI-Prinzip!) auf, bei denen die einzelnen Niveaus nicht mehr unterscheidbar sind (Energieband)75 Energie LiLi2 Li3 Li4 Li5 Lin halb geflltes Energie-band (Valenzband) elektrische Eigenschaften Leitfhigkeit Temperaturabhngigkeit elektrische LeitfhigkeitBndermodell (WILSON 1930) Lithium: 1s2 2s1 WERKSTOFFE 2 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Dezember 2013 76 Li elektrische Eigenschaften Leitfhigkeit Temperaturabhngigkeit elektrische LeitfhigkeitBndermodell hchstes besetztes Elektronenenergieband (eine Art HOMO highest occupied MO) niedrigstes unbesetztes Elektronenenergieband (eine Art LUMO lowest unoccupied MO), kann teilweise mit dem Valenzband berlappen Leitungsband Valenzband WERKSTOFFE 2 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Dezember 2013 77 Beryllium (1s2 2s2): trotz vollbesetzten Valenzbandes kein Isolator (Leitung kannnur stattfinden, wenn leere Energieniveaus vorhanden sind)Elektronen sind im Leitungsband quasi frei beweglich Be elektrische Eigenschaften Leitfhigkeit Temperaturabhngigkeit elektrische LeitfhigkeitBndermodell WERKSTOFFE 2 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Dezember 2013 78 berlappung verbotene Zone (Bandlcke < 3 eV) verbotene Zone (Bandlcke > 3 eV) CCC C Metall: berlappung zwischen Valenz- und Leitungsband (keine Bandlcke) C Halbleiter: Bandlcke, Wechsel VB LB mglichmige elektrische Leitfhigkeit C Isolator: Bandlcke > 3 eV und vollbesetztes Valenzband elektrische Eigenschaften Leitfhigkeit Temperaturabhngigkeit elektrische LeitfhigkeitBndermodell 1 Elektronenvolt (eV) entspricht 96,5 kJ/mol WERKSTOFFE 2 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Dezember 2013 79 Absorption von Licht bedeutet Aufnahme von Photonenenergie durch Elektro-nenanregung sichtbares Spektrum: = 400 750 nmE = hc/ = 1,6 3 eV Metalle knnen nicht transparent sein (Absorption aller Wellenlngen) transparente Materialien sind Isolatoren (fehlende Absorption da Bandlcke > 3 eV) elektrische Eigenschaften Leitfhigkeit Temperaturabhngigkeit elektrische LeitfhigkeitBndermodell WERKSTOFFE 2 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Dezember 2013 80 physikalische Eigenschaften MetallCu 99,995CuNi9Sn in m/mm2 bei 50 C 64,46,4 in m/mm2 bei 200 C 345,8 elektrische Eigenschaften Leitfhigkeit Temperaturabhngigkeit elektrische LeitfhigkeitTemperaturabhngigkeit elektrische Leitfhigkeit Temperatur Verringerung der freien Weglnge durch grere Schwingungs-amplitude der Atome bei hheren Temperaturen (Ste zwischen Elektronen und Atomrmpfen werden wahrscheinlicher) Legierungen reagieren hinsichtlich ihrer Leitfhigkeit unterschiedlich stark auf hhere Temperaturen WERKSTOFFE 2 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Dezember 2013 81 physikalische Eigenschaften besonders gute elektrische Leitfhigkeit liegt bei einem halbbesetzten Lei-tungsband vor (Alkalimetalle, I. Nebengruppe: Cu, Ag, Au) Gitterstrungen fhren zu einer Reduktionder freien Weglnge der Elektronen Abnahme der Leitfhigkeit bei Kaltverfestigung Beimengungen (Verunreinigungen/ Legierungselemente) MetallCu 99,95CuZn5CuZn40 in m/mm2 > 5833,315,0 elektrische Eigenschaften Leitfhigkeit Temperaturabhngigkeit elektrische Leitfhigkeit WERKSTOFFE 2 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Dezember 2013 82 physikalische Eigenschaften Metall in m/mm2 Metall in m/mm2 Metall in m/mm2 Aluminium, Al37,66Magnesium, Mg22,67Silber, Ag62,89 Blei, Pb5,2Mangan, Mn0,54Tantal, Ta8 Cadmium, Cd13,3Molybdn, Mo19,2Titan, Ti7 Chrom, Cr7,7Nickel, Ni14,6Vanadium, V5,0 Cobalt, Co16,02Niob, Nb6,9Wolfram, W17,69 Eisen, -Fe10,29Osmium, Os12,31Zink, Zn16,9 Gold, Au42,55Platin, Pt9,48Zinn, -Sn9,09 Kupfer, Cu59,77Rhodium, Rh22,17Zirkonium2,47 Die Leitfhigkeit wird auch in S/m angegeben, der Umrechnungsfaktor betrgt 106 (1 m/mm2 = 106 S/m).elektrische Eigenschaften Leitfhigkeit Temperaturabhngigkeit elektrische Leitfhigkeit WERKSTOFFE 2 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Dezember 2013 83 Exkurs: Supraleitfhigkeit WERKSTOFFE 2 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Dezember 2013 84 physikalische Eigenschaften elektrischer Widerstand sinkt auf Null unterhalb einer kritischen Temperatur Tc (Sprungtemperatur)elektrische Eigenschaften Leitfhigkeit Temperaturabhngigkeit Exkurs: SupraleitfhigkeitKAMERLINGH ONNES 1911 metallische Supraleiter Hg:4,2 KNb3Ge:23 K MgB2:39 K TC keramische Supraleiter YBa2Cu3O7:93 K Hg0,8Tl0,2Ba2Ca2Cu3O8: 138 K SmFeAsO0,85:55 K TC WERKSTOFFE 2 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Dezember 2013 85 physikalische Eigenschaften Anwendung u.a. fr Hochfeld-Elektromagnete (> 5 Tesla) Erklrung der metallischen Tieftemperatur-Supraleitungals quantenmechanisches Phnomen mit der BCS-Theorie(Nobelpreis 1972 anBARDEEN, COOPER und SCHRIEFFER) Hochtemperatur-Supraleitung: keine allgemein anerkannteTheorie elektrische Eigenschaften Leitfhigkeit Temperaturabhngigkeit Exkurs: Supraleitfhigkeit WERKSTOFFE 2 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Dezember 2013 86 physikalische Eigenschaften thermische Eigenschaften Leitfhigkeit Wrmeausdehnung WERKSTOFFE 2 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Dezember 2013 87 physikalische Eigenschaften Ursache: zunehmende Schwingamplitude der Atome Gre abhngig von Gitterkrften WerkstoffKeramikenMetallePolymere in 10-6/K 0,5 104,4 3020 100 Schmelzpunkt thermische Eigenschaften Leitfhigkeit Wrmeausdehnung thermische Ausdehnung lineare Verlngerung eines Stabes beim Erwrmen Lngenausdehnungskoeffizient WERKSTOFFE 2 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Dezember 2013 88 physikalische Eigenschaften Manahmen: thermische Eigenschaften Leitfhigkeit Wrmeausdehnung thermische Ausdehnung Dehnungsausgleicher bei RohrenDehnungsfuge bei Brcken WERKSTOFFE 2 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Dezember 2013 89 Invar Legierungen (u.a. FeNi36) mit sehr geringen Wrmeaus- dehnungskoeffizienten (um 2 ppm pro Kelvin) Lngenaus- dehnungsinvarianz bezglich einer Temperaturnderung Entdeckung des Effekts 1896 durchCHARLES GUILLAUME (Nobelpreis fr Physik1920) physikalische Eigenschaften thermische Eigenschaften Leitfhigkeit Wrmeausdehnung thermische Ausdehnung WERKSTOFFE 2 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Dezember 2013 90 physikalische Eigenschaften bei steigender Temperatur Beimengungen (Verunreinigungen/Legierungselemente) hier kann sie aller- dings bei Temperaturzunahme ebenfalls steigen MetallCu 99,95CuZn5CuZn40 in W/mK > 393243117 MetallCu 99,995CuNi9Sn in W/mKbei 50 C 39748 in W/mKbei 200 C 38465 thermische Eigenschaften Leitfhigkeit Wrmeausdehnung Wrmeleitfhigkeit Wrmeleitfhigkeit WERKSTOFFE 2 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Dezember 2013 91 physikalische Eigenschaften Metall in W/mK in 10-6/KMetall in W/mK in 10-6/K Aluminium, Al23723,8Molybdn, Mo1385,2 Blei, Pb35,329,2Nickel, Ni90,713,0 Cadmium96,830,0Platin, Pt71,69,0 Eisen, -Fe80,212Silber, Ag42919,7 Gold, Au31714,2Titan, Ti21,98,2 Kupfer, Cu40117,0Vanadium, V30,7- Magnesium, Mg15625,8Zink, Zn11629,0 Mangan, Mn7,822,8Zinn, -Sn6626,9 thermische Eigenschaften Leitfhigkeit Wrmeausdehnung Wrmeleitfhigkeit &thermische Ausdehnung WERKSTOFFE 2 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Dezember 2013 92 physikalische Eigenschaften magnetische Eigenschaften Ferromagnetismus Diamagnetismus, Paramagnetismus WERKSTOFFE 2 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Dezember 2013 93 physikalische Eigenschaften magnetische Eigenschaften Ferromagnetismus Diamagnetismus, Paramagnetismus Alle Stoffe weisen magnetische Eigenschaften auf bzw. zeigen Wechselwirkungen mit magnetischen Feldern!Magnetismus wird alltagssprachlich in der Regel als Ferromagne-tismus von Eisen und seinen Legierungen verstanden, aber: Magnetismus wird zusammen mit der Elektrizitt im Elektromagnetismus beschriebenMAXWELL-Gleichungen WERKSTOFFE 2 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Dezember 2013 94 physikalische Eigenschaften magnetische Eigenschaften Ferromagnetismus Diamagnetismus, Paramagnetismus Grundlagen N S Materie H-Feld nderung der magnetischen Flu-dichte B im Stoff nderung ist charakteristisch fr eingebrachte Substanz Wechselwirkung von Materie mit magnetischen Feldern: WERKSTOFFE 2 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Dezember 2013 95 physikalische Eigenschaften magnetische Eigenschaften Ferromagnetismus Diamagnetismus, Paramagnetismus Grundlagen WERKSTOFFE 2 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Dezember 2013 abstoende Wechselwirkung mit einem Magnetfeld Diamagnetismus ( < 0, r < 1) anziehende Wechselwirkung mit einem Magnetfeld Paramagnetismus ( > 0, r > 1) klassische magnetische Wechselwirkung von magnetischen Dipolen (Nordpol, Sdpol) Ferromagnetismus ( 0, r 1) 96 physikalische Eigenschaften magnetische Eigenschaften Ferromagnetismus Diamagnetismus, Paramagnetismus (wichtige) Arten von Magnetismus WERKSTOFFE 2 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Dezember 2013 97 physikalische Eigenschaften magnetische Eigenschaften Ferromagnetismus Diamagnetismus, Paramagnetismus Zusammenhnge im berblick WERKSTOFFE 2 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Dezember 2013 98 physikalische Eigenschaften homogenes Magnetfeldinhomogenes Magnetfeld diamagnetischer Stoff: Abstoung scheinbare Massenabnahmeparamagnetischer Stoff: Anziehung scheinbare Massenzunahme Verdichtung der Feldlinien im Inneren Verdnnung der Feldlinien im Inneren magnetische Eigenschaften Ferromagnetismus Diamagnetismus, Paramagnetismus Diamagnetismus & Paramagnetismus WERKSTOFFE 2 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Dezember 2013 99 Diamagnetismus WERKSTOFFE 2 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Dezember 2013 100 physikalische EigenschaftenDiamagnetismus magnetische Eigenschaften Ferromagnetismus Diamagnetismus, Paramagnetismus Basics zum Diamagnetismus Diamagnetismus ist eine Eigenschaft aller Stoffe, sofern nicht von anderen Arten des Magnetismus berlagert.diamagnetisches Verhalten tritt u.a. bei Elementen mit abgeschlossenen Elektronenschalen auf Induktion von inneratomaren Ringstrme, die nach der LENZschen Regel dem ueren Magnetfeld entgegengerichtet sindmagnetisches Feld wird geschwcht, die Substanz aus dem Magnetfeld heraus gedrngt Diamagnetismus ist (fast) temperaturunabhngig kein permanentes magnetisches Moment WERKSTOFFE 2 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Dezember 2013 101 physikalische EigenschaftenDiamagnetismus MetallKupfer, Cu-0,96 10-5 Blei, Pb-1,6 10-5 Zink, Zn-1,6 10-5 Silber, Ag-2,4 10-5 Quecksilber, Hg-2,9 10-5 Bismut, Bi-17,0 10-5 C (pyrolytischer Graphit) -45,0 10-5 () -8,5 10-5 () magnetische Eigenschaften Ferromagnetismus Diamagnetismus, Paramagnetismus Diamagnetika WERKSTOFFE 2 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Dezember 2013 102 physikalische Eigenschaften vollstndige Verdrngung eines Magnetfeldes aus dem Inneren eines Supra-leiters (idealer Diamagnetismus: m = -1)Schweben eines Magnets ber Hochtemperatur-Supraleiter mglich Diamagnetismus magnetische Eigenschaften Ferromagnetismus Diamagnetismus, Paramagnetismus MEISSNER-OCHSENFELD-Effekt (1933) WERKSTOFFE 2 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Dezember 2013 Levitation, nach lat. levitas, Leichtigkeit Effekt des Herauswanderns diamagnetischer Stoffe lt sich bei ausreichend hohem Magnetfeld (>15 Tesla) auch bei greren Gegenstnden bzw. Lebe-wesen ( hoher Wassergehalt) zeigen 103 physikalische EigenschaftenDiamagnetismus magnetische Eigenschaften Ferromagnetismus Diamagnetismus, Paramagnetismus diamagnetische LevitationWERKSTOFFE 2 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Dezember 2013 104 Paramagnetismus WERKSTOFFE 2 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Dezember 2013 105 physikalische EigenschaftenParamagnetismus magnetische Eigenschaften Ferromagnetismus Diamagnetismus, Paramagnetismus Basics zum Paramagnetismus Paramagnetismus tritt auf, wenn unkompensierte magnetische Momente der Elektronen auftreten.permanentes magnetisches Moment Ursache: unvollstndig gefllte Elektronen- schalen der Atomeim ueren Magnetfeldwerden die ursprnglich zufllig orientiertenmagnetischen Momente ausgerichtet Temperaturabhngigkeit: ~ 1/T (CURIEsches Ge- setz) Metall Magnesium, Mg1,2 10-5 Aluminium, Al2,2 10-5 Wolfram, W6,8 10-5 Platin, Pt26 10-5 Uran, U40 10-5 WERKSTOFFE 2 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Dezember 2013 106 physikalische EigenschaftenParamagnetismus magnetische Eigenschaften Ferromagnetismus Diamagnetismus, Paramagnetismus Basics zum Paramagnetismus Paramagnetismus des Sauerstoffs Diamagnetismus des Stickstoffs: WERKSTOFFE 2 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Dezember 2013 107 Ferromagnetismus WERKSTOFFE 2 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Dezember 2013 108 physikalische EigenschaftenFerromagnetismus magnetische Eigenschaften Ferromagnetismus Diamagnetismus, Paramagnetismus Basics zum Ferromagnetismus Ferromagnetische Stoffe zeigen in einem externen Magnetfeld eine eigene, spontane Magnetisierung.besonders starke Form von Paramagnetismus WERKSTOFFE 2 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Dezember 2013 109 physikalische EigenschaftenFerromagnetismus magnetische Eigenschaften Ferromagnetismus Diamagnetismus, Paramagnetismus Basics zum Ferromagnetismus Ferromagnetische Eigenschaften Materialien ohne ferromagnetisches Element Chromdioxid, CrO2 Europiumoxid, Eu2O3 Manganarsenid, MnAs HEUSLER-Legierungen (z.B. Cu2MnAl u.v.a.) ebenso viele Legierungen mit Fe, Co, Ni technisch bedeutungslos AlNiCo, SmCo, Nd2Fe14B, Ni80Fe20 (Permalloy), NiFeCo (Mumetall) WERKSTOFFE 2 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Dezember 2013 110 physikalische EigenschaftenFerromagnetismus magnetische Eigenschaften Ferromagnetismus Diamagnetismus, Paramagnetismus Fortdauern eines Zustands nach Wegfall der Anregung Neukurve Entmagnetisierung Magnetisierung unmagnetischer Krper (Neukurve) parallele Ausrichtung der Elementarmagnete in den WEISS-schen Bezirken Wachstum der ausgerichteten Bezirke auf Kosten anderer Bezirke (durch Umklappen der EM, d.h. parallele Ausrich-tung zum Feld)Verschiebung der BLOCH-Wnde Sttigungsmagnetisierung (a): alle EM sind parallel ausge-richtet Abschalten der ueren Feldes Rckgang der Fludichte auf einen endlichen Wert (b) (Rest-magnetisierung, sogenannte Remanenz BR)Remanenz Hysterese WERKSTOFFE 2 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Dezember 2013 111 physikalische EigenschaftenFerromagnetismus magnetische Eigenschaften Ferromagnetismus Diamagnetismus, Paramagnetismus Domnen, in denen die atomaren magnetischen Momente pa-rallel ausgerichtet sind (auch ohne ueres Feld) WEISSsche Bezirke eine einzige Domne WERKSTOFFE 2 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Dezember 2013 112 physikalische EigenschaftenFerromagnetismus magnetische Eigenschaften Ferromagnetismus Diamagnetismus, Paramagnetismus Grenzen der WEISSschen Bezirke; Ursachen sind Fehlstellen oder Fremdatome im Gitter BLOCH-Wnde ungleichmige Verschiebung der BLOCH-Wnde(bei uerem Feld) ber Strstellen sprunghafte nderung der Magnetisierung Entmagnetisierung ber Neukurve unmglich BARKHAUSEN-Effekt WERKSTOFFE 2 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Dezember 2013 113 physikalische EigenschaftenFerromagnetismus magnetische Eigenschaften Ferromagnetismus Diamagnetismus, Paramagnetismus vollstndige Entmagnetisierung Sttigungsmagnetisierung in umgekehrter Richtung Anlegen eines ueren Gegenfeldes bis zur vollstndigen Entmagnetisierung (c) Koerzitivfeldstrke HC fr B = 0 Hysterese WERKSTOFFE 2 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Dezember 2013 114 physikalische EigenschaftenFerromagnetismus magnetische Eigenschaften Ferromagnetismus Diamagnetismus, Paramagnetismus Gesamtvorgang Hysterese WERKSTOFFE 2 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Dezember 2013 115 physikalische EigenschaftenFerromagnetismus magnetische Eigenschaften Ferromagnetismus Diamagnetismus, Paramagnetismus Hystereseverhalten zur Unterscheidung weichmagnetische Werkstoffe schmale & flache Hysteresekurve HC klein ( 2%, Cu > 0,3% mageres Erz niedriger Me-Gehalt Hochofenproze Ausgangsstoff (Eisen-)Erz (ore) WERKSTOFFE 2 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Dezember 2013 154 Vom Erz zum Roheisen NameFormelFe-Gehalt in %Vorkommen Magnetit (Magneteisenstein) u.a. Kiruna (S) Hmatit (Roteisenstein) weltweit; im MA: Suhl/Thringen Limonit (Brauneisenstein) weltweit Pyrit (Schwefelkies) weltweit Hochofenproze Ausgangsstoff (Eisen-)Erz (ore) technisch bedeutende Eisenerze WERKSTOFFE 2 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Dezember 2013 155 Vom Erz zum Roheisen Hochofenproze Eisenerzfrderung in Kiruna, Schweden Ausgangsstoff (Eisen-)Erz (ore) WERKSTOFFE 2 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Dezember 2013 156 Vom Erz zum Roheisen Hochofenproze Ausgangsstoff (Eisen-)Erz (ore) WERKSTOFFE 2 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Dezember 2013 157 Vom Erz zum Roheisen Eisenerzfrderung Hochofenproze Ausgangsstoff (Eisen-)Erz (ore) WERKSTOFFE 2 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Dezember 2013 158 Vom Erz zum Roheisen Hochofenproze Erzauf-bereitung Ziel: Erhhung des Fe-Anteil durch Verringerung des Gangartanteils ( hohe Transportkosten und Belastung des Hochofens) Methoden: Flotation & Magnettren- nung Ergebnis:Aufbereitung 30 35% 60 65% Ausgangsstoff (Eisen-)Erz (ore)Erzaufbereitung WERKSTOFFE 2 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Dezember 2013 159 Vom Erz zum Roheisen Hochofenproze Beschickung des Hochofens mit Erzen gleichbleibender Qualitt grobe Erze: Brechen Mahlen Sieben feine Erze: Stckigmachen (Agglomeration) Ausgangsstoff (Eisen-)Erz (ore)Erzvorbereitung Erzvor-bereitung Sintern Pelletieren (Feinsterze) WERKSTOFFE 2 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Dezember 2013 160 Vom Erz zum Roheisen Hochofenproze Exkurs: (Froth) Flotation WERKSTOFFE 2 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Dezember 2013 161 AusgangsstoffKoks WERKSTOFFE 2 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Dezember 2013 162 Vom Erz zum Roheisen Koks: porser, stark kohlenstoffhaltigerBrennstoff mit hoher spezifischer Ober- flche Herstellung: Pyrolyse/trockene Destilla- tion (Erhitzen unter Sauerstoffausschlu bei 1300 C) von asche-und schwefelar- mer FettkohleAbtrennung der flchti- gen Bestandteile der Kohle Hochofenproze Kokerei Schwelgern/DU: 2,6 Mt Koks/a Ausgangsstoff Koks (coke) WERKSTOFFE 2 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Dezember 2013 163 Vom Erz zum Roheisen Aufgaben: Reduktionsmittel (bzw. Vorstufe) Wrmeproduktion durch exotherme Oxidationsreaktion mit Sauerstoff Durchgasung der Sule im Hochofen:Kokskorn > Erz/Sinter/Pellets Hochofenproze Anthrazit Steinkohlenkoks Ausgangsstoff Koks (coke) WERKSTOFFE 2 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Dezember 2013 164 Vom Erz zum Roheisen Hochofenproze Kokereigas: H2, CH4, N2, CO, CO2 Kokerei (cokery)Verkokungsproze WERKSTOFFE 2 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Dezember 2013 165 AusgangsstoffZuschlge WERKSTOFFE 2 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Dezember 2013 166 Vom Erz zum Roheisen Gangart der Erze bzw. Koksasche besitzen hohe Schmelzpunkte (bis 2000 C) Zuschlge senken Schmelzpunkte auf 1300-1400 CBildung einer dnn-flssigen Schlacke weitere wichtige Aufgabe: Aufnahme unerwnschter Begleitelemente (Si, Al, P, S) wichtigste Zuschlagstoffe: Kalk (CaCO3), Olivin [(Mg,Fe)2SiO4], Dolomit [CaMg(CO3)2], (Bauxit, Fluspat, Quarz) Zugabe erfolgt nach Analyse der Einsatzstoffe und Reduktionsmittel in genau abgewogener Menge Hochofenproze Ausgangsstoff Zuschlge (additives) WERKSTOFFE 2 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Dezember 2013 167 Vorbereitung der Rohstoffe WERKSTOFFE 2 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Dezember 2013 168 Vom Erz zum Roheisen Hochofenproze Sinteranlage Vorbereitung vonMller & Koks WERKSTOFFE 2 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Dezember 2013 169 Vom Erz zum Roheisen Hochofenproze Aufbereitung der RohstoffeGesamtberblick WERKSTOFFE 2 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Dezember 2013 170 Vom Erz zum Roheisen Hochofenproze Materialflu WERKSTOFFE 2 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Dezember 2013 171 inside theblast furnace WERKSTOFFE 2 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Dezember 2013 172 Vom Erz zum Roheisen Hochofenproze Aufbau & chemische VorgngeGesamtberblick Aufbauchemische Vorgnge WERKSTOFFE 2 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Dezember 2013 173 Vom Erz zum Roheisen Hochofenproze HochofenprozeGesamtberblick WERKSTOFFE 2 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Dezember 2013 174 Glossar WERKSTOFFE 2 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Dezember 2013 175 Vom Erz zum Roheisen BOUDOUARD-Gleichgewicht chemisches Gleichgewicht zwischen CO2 und CO, das sichbei der Umsetzung von CO2 mit glhender Kohle (C) ein- stellt: CO2 + C 2 CO bei hheren Temperaturen ist die Bildung von CO bevor- zugt, d.h. das Gleichgewicht verlagert sich nach rechts Gichtgas Hochofengas mit niedrigem Heizwert aus 45 - 60% N2, 20 - 30% CO, 25 - 30% CO2, 2 - 4% H2 Nutzen: Antrieb von Kompressoren zur Windzirkulation und Aufheizen der Winderhitzer Hochofenproze Glossar zum Hochofenproze WERKSTOFFE 2 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Dezember 2013 176 Vom Erz zum Roheisen Httensand/Schlackensand feinkrniges, glasiges Nebenprodukt der Roheisenherstellung im Hoch-ofen entsteht durch Granulation von flssiger Hochofenschlacke mit Wasser und/oder Luft Zusammensetzung: 30-45% CaO, 30- 45% SiO2, 5-15% Al2O3, 4-17% MgO,0,5-1% S Hunt seilgezogener offener Frderwagen (Gterlore) auf der Schrgrampe eines Hochofens zur Beschickung mit Mller und Koks Hochofenproze Glossar zum Hochofenproze WERKSTOFFE 2 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Dezember 2013 177 Vom Erz zum Roheisen Mller Gemisch aus Eisenerz und Zuschlagstoffen (zur Verringerung des Schmelz-punktes des Erzes und zur besseren Verflssigung des Gemisches, in der Re-gel Kalk oder Silicate) Ofenreise Betriebsdauer eines Hochofens von der Anbrandphase bis zum Ausklingen der Verbrennung (ca. 10 Jahre) - vor Wiederinbetriebnahme: Inspektion, Reparatur und Reinigung Schlacke Rckstand bei der Erzeugung von Roheisen Rohstoff: Grundlage fr Dngemittel und Produkte fr den Straenbau Hochofenproze Glossar zum Hochofenproze WERKSTOFFE 2 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Dezember 2013 178 Vom Erz zum Roheisen Winderhitzer (cowper) zylinderfrmige Wrmetauscher (bis zu50 m hoch und 10 m im Durchmesser, die den Heiwind fr den Hochofenprozebereitstellen bestehen aus Verbrennungsraum undSpeicherraum mit feuerfesten Steinen(Schamott) Verwendung von Gichtgaswrme fhrt zu erheblichen Brennstoffeinsparungen Arbeitszyklus eines Winderhitzers Hochofenproze Glossar zum Hochofenproze WERKSTOFFE 2 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Dezember 2013 179 Vom Erz zum Roheisen Hochofenproze technische Realisation WERKSTOFFE 2 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Dezember 2013 180 Vom Erz zum Roheisen Hochofenproze Querschnittsansicht WERKSTOFFE 2 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Dezember 2013 181 Vor- und Nachteile WERKSTOFFE 2 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Dezember 2013 182 Vom Erz zum Roheisen hohe spezifische Erzeugungsleistung aufgrund guter Wrme-ausnutzung und Begnstigung chemischer Reaktionen durch Anwendung des Gegenstromprinzips technische Reife des Verfahrens/der Anlagen (kontinuier-licherBetrieb/hoher Automatisierungsgrad) Potential des Verfahrens: Erhhung der Windtemperatur Erhhung des Gasdrucks im Hochofen Steigerung der spezifischen Leistung um 65% in den letzten 30 Jahren Hochofenproze WERKSTOFFE 2 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Dezember 2013 183 Vom Erz zum Roheisen Einsparung von Koks durch Einblasen hherer Mengen von Ersatzreduktionsmitteln (z.Zt. Gesamtreduktionsmittelver-brauch 460-480 kg/t Roheisen Mindesteinsatz Koks ca. 270 kg/t Roheisen) Hochofenproze WERKSTOFFE 2 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Dezember 2013 184 Vom Erz zum Roheisen aber: Metallurgisch stellt das Hochofenverfahren einen Umweg dar, weil whrend der Reduktion Koh-lenstoff vom Roheisen aufgenommen wird und zur Stahlerzeugung wieder entfernt werden mu! Hochofenproze Entwicklung von Direkt- und Schmelzreduktionsverfahren Alternativwege WERKSTOFFE 2 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Dezember 2013 185 Vom Roheisen zum Rohstahl WERKSTOFFE 2 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Dezember 2013 186 Vom Roheisen zum Rohstahl Zusammensetzung von Roheisen (pig iron) 4-5% Kohlenstoff 3% Silicium 6% Mangan 1% Phosphor & Schwefel WERKSTOFFE 2 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Dezember 2013 Sthle sind Werkstoffe, deren Massenanteilan Eisen grer ist als der jedes anderen Elements und deren Kohlenstoffgehalt kleiner als zwei Gewichtsprozent* ist. 187 Vom Roheisen zum Rohstahl 10020 Eine andere, einfache Definition von Stahl lautet: Jedes Eisen, das ohne Zugabe anderer Stoffe schmiedbar ist, kann man als Stahl bezeichnen. Definition Stahl WERKSTOFFE 2 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Dezember 2013 188 Vom Roheisen zum Rohstahl Bedingungen fr Stahlherstellung aus Roheisen: 1. Der Kohlenstoff-Gehalt ist zu hoch und mu gesenkt werden. 2.Die Begleitelemente sind zum jetzigen Zeitpunkt in der Regel uner-wnscht und mssen entfernt werden. Raffinationsprozesse(vor Weiterverarbeitung) Frischverfahren Desoxidations-reaktionen Entschwefelung Entgasung WERKSTOFFE 2 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Dezember 2013 189 Frischverfahren WERKSTOFFE 2 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Dezember 2013 Beschlenigung der Frischreak-tionen (Frischzeiten -) WrmeabgabeZugabe von Schrott als Khlmittel gute Beherrschung & Steuerung des Prozeablaufs gute Entphosphorung 190 Vom Roheisen zum Rohstahl Frischverfahren Oxidation von Beimengungen Zugabe von Sauerstoff ins Roheisen WERKSTOFFE 2 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Dezember 2013 191 Vom Roheisen zum Rohstahl Frischverfahren Senkung des Kohlenstoff-Gehalts auf vorgegebe-ne Werte Senkung der Gehalte erwnschter Beimengun-gen auf vorgegebene Werte weitestgehende Entfernung unerwnschter Bei-mengungen ( Affinitt der Begleitelemente zum Sauerstoff) Einstellung der vorgegebenen Legierungszu-sammensetzung (Zugabe von Legierungsele-menten) WERKSTOFFE 2 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Dezember 2013 192 Vom Roheisen zum Rohstahl Frischverfahren Einblasen von Luft bzw. reinem Sauerstoff ins flssige Roheisen O2 lst sich in der Schmelze und reagiert mit Fe zu FeO: O2 (g) + Fe (l) = FeO (s) Entkohlung Verschlackung der Begleitelemente Prinzip des Frischens WERKSTOFFE 2 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Dezember 2013 193 Vom Roheisen zum Rohstahl Frischverfahren Entkohlung:[C] + [O] CO Verschlackung der BegleitelementeEntsilizierung:[Si] + 2 [FeO] + 2 CaO Ca2SiO4 + 2 Fe Manganreaktion:[Mn] + [FeO] MnO + Fe Entphosphorung:2 [P] + 5 [FeO] + 3 CaO Ca3(PO4)2 + 5 Fe Entschwefelung:[S] + 2 [FeO] + CaO CaSO4 + 2 Fe[]: im Eisen gelst chemische Vorgnge WERKSTOFFE 2 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Dezember 2013 194 Vom Roheisen zum Rohstahl Frischverfahren BESSEMER-Verfahren (1856) THOMAS-Verfahren (1878) Windfrischverfahren SIEMENS-MARTIN-Verfahren (1847/56 bzw. 1864) Herdfrischverfahren Sauerstoffaufblasverfahren (LD- bzw. LDAC-Verfahren, 1952) Sauerstoffbodenblasverfahren (OBM-Verfahren,1968) Kombinationsverfahren (LWS- bzw. TBM-Verfahren) Sauerstoffblasverfahren historische Entwicklung WERKSTOFFE 2 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Dezember 2013 195 Windfrischverfahren WERKSTOFFE 2 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Dezember 2013 196 Vom Roheisen zum Rohstahl Bodenblasverfahren: Luft wird durch Boden- dsen eines sogenannten Konverters (BESSEMER-bzw. THOMAS-Birne) ins flssige Roheisen mit7 - 10 bar eingeblasen Birnengre: 1000 - 8000 kg Roheisen Zeitbedarf: 20 - 50 min pro Fllung Windfrischverfahren Frischverfahren BESSEMER- bzw. THOMAS-Verfahren (1856/78) WERKSTOFFE 2 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Dezember 2013 197 Vom Roheisen zum Rohstahl BESSEMER-Birne: mit sauren Materialien (SiO2) ausgekleidet (saures Wind-frischverfahren)ausschlielich Verarbeitung von relativ seltenen phos-phorarmen Erzen mglich THOMAS-Birne: Auskleidung mit basischem Dolomit (basisches Windfrischver-fahren) Nebenprodukte: THOMAS-SchlackeTHOMAS-Mehl als Phosphatdnger Nachteile beider Verfahren: erzeugter Stahl besitzt hohen Stickstoffgehalt Qualittsminderung (hohe Sprdigkeit usw.) kein aktuelles Verfahren mehr (bis 1975) Windfrischverfahren Frischverfahren BESSEMER- bzw. THOMAS-Verfahren (1856/78) WERKSTOFFE 2 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Dezember 2013 198 Vom Roheisen zum Rohstahl Frischverfahren BESSEMER-Anlage Windfrischverfahren THOMAS-Birne, DO-Hrde (Hhe: 4 m, Masse: 64 t) BESSEMER- bzw. THOMAS-Verfahren (1856/78) WERKSTOFFE 2 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Dezember 2013 199 Herdfrischverfahren WERKSTOFFE 2 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Dezember 2013 200 Vom Roheisen zum Rohstahl Frischverfahren Aufschmelzen von Eisenschrott und/oder Zugabe von Roheisenerzenindi-rekte Oxidation, z.B.: 3 C + Fe2O3 2 Fe + 3 CO Kombination des Herdofens mit Regenerativfeuerung gasfrmige Brennstoffe werden durch Abgase aus dem Ofen vorgewrmt heie Flammgase haben ebenfalls oxidative Wirkung und werden direkt in die Schmelze geleitet Zeitbedarf: 3 - 8 h pro Fllung (30 - 600 Tonnen!) kein aktuelles Verfahren (bis 1993, z.T. noch in RUS) HerdfrischverfahrenSIEMENS-MARTIN-Verfahren (1847/56 bzw. 64) WERKSTOFFE 2 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Dezember 2013 201 Vom Roheisen zum Rohstahl Frischverfahren SIEMENS-MARTIN-AnlageSIEMENS-MARTIN-Ofen in Brandenburg (bis 1993) HerdfrischverfahrenSIEMENS-MARTIN-Verfahren (1847/56 bzw. 64) WERKSTOFFE 2 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Dezember 2013 202 Sauerstoffblas-verfahren WERKSTOFFE 2 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Dezember 2013 203 Vom Roheisen zum Rohstahl Frischverfahren Sauerstoffaufblasverfahren LD- bzw. LD/AC-Verfahren Sauerstoffbodenblasverfahren OBM-Verfahren Kombinationsverfahren LWS- bzw. TBM-Verfahren Sauerstoffblasverfahren Prinzip der Sauerstoffblasverfahren Verwendung von technisch reinem Sauerstoff (Sauerstoffmetallurgie) fehlender N2-Ballast der Luftkr-zere Frischzeiten & verbesserte Wirt-schaftlichkeit stark exothermer ProzeKhlung der Schmelze mit Schrott Unterscheidung der Verfahren WERKSTOFFE 2 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Dezember 2013 204 Vom Roheisen zum Rohstahl Frischverfahren Sauerstoffblasverfahren Verfahrensablauf Auf-/Durchblasen von reinem Sauerstoff mit 8 - 12 bar Bildung von CO ( Durchmischung)/FeO ( Oxidation der Eisenbegleiter) im Reaktionszentrum: Temperaturen zwischen 2500 und 3000 C schnelle Bildung einer reaktionsfhigen Schlacke Durchblasverfahren ergeben bessere metallurgische Resultate bei krzeren Blaszeiten WERKSTOFFE 2 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Dezember 2013 205 Vom Roheisen zum Rohstahl Frischverfahren Sauerstoffblasverfahren Ablauf einer Schmelze Chargierung:1.Schrott,2.flssiges RoheisenAuf-/Durchblasen: evtl. Einblasen von RhrgasenAbstich:StahlAbstich-lochGiepfanne Zugabe der Zuschlge zu Beginn/ whrend des Blasprozesses Probenentnahme: Vergleich Soll/Ist Legierungszusammensetzung Temperaturmessung mittels Sublanze Schmelzfolgezeit: 30 40 min Schlacke WERKSTOFFE 2 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Dezember 2013 206 Vom Roheisen zum Rohstahl Frischverfahren LD-Verfahren (Linz-Donawitz-Verfahren)Basic Oxygen Process, BOP Aufblasverfahren: O2 wird mittels einer Lanze auf ein Roheisen-Schrott-Gemisch geblasen Durchmischung & Oxidationder Begleitelemente Kalkzugabe: Bindung der festen Abbrandpro-dukte in flssiger Schlacke WERKSTOFFE 2 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Dezember 2013 207 Vom Roheisen zum Rohstahl Frischverfahren Ende des Frischens: Zugabe von Legierungsbestandteilen Abgu des flssigen Stahlsin Gupfannen Zeitbedarf 12 20 min Konvertergre bis 380 Tonnen C-Gehalt 0,04 1,0% LD-Verfahren (Linz-Donawitz-Verfahren) WERKSTOFFE 2 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Dezember 2013 208 Vom Roheisen zum Rohstahl Modifikation fr phosphorreiches Roheisen: Sauerstoff und Kalk werden gleichzeitig eingeblasenfrhzeitige Schlackenbildung zur Entphosphorung phosphorreiche Schlacke wird in einem ersten Schritt abgezogen, Entkoh-lung wird erst im zweiten Schritt statt Frischverfahren nach ARBED/Centre National des Recherches Metallurgiques LD-Verfahren: ca. 60% der Weltrohstahlproduktion LD/AC-Verfahren WERKSTOFFE 2 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Dezember 2013 209 Vom Roheisen zum Rohstahl Frischverfahren GesamtberblickLD-Verfahren (Linz-Donawitz-Verfahren) WERKSTOFFE 2 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Dezember 2013 210 Vom Roheisen zum Rohstahl Frischverfahren ChronologieLD-Verfahren (Linz-Donawitz-Verfahren) WERKSTOFFE 2 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Dezember 2013 211 Vom Roheisen zum Rohstahl Frischverfahren ChronologieLD-Verfahren (Linz-Donawitz-Verfahren) WERKSTOFFE 2 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Dezember 2013 212 Vom Roheisen zum Rohstahl Frischverfahren (auch Oxygen Bottom-Maxhtte) Durchblasverfahren: Modifikation des ursprnglichen THOMAS-Verfahren reiner Sauerstoff wird von unten durchDsenbden in die Schmelze geblasen Dsen werden mit Kohlenwasserstoffen gekhlt krzere Schmelzfolgezeiten (wg. intensiverer Durchmischung) grere Schrottstze hheres Ausbringen OBM-Verfahren (Oxygen Bottom Metallurgy) WERKSTOFFE 2 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Dezember 2013 213 Vom Roheisen zum Rohstahl Frischverfahren LWS-Verfahren (nach LOIRE-WENDEL-SPRUNCK) TBM-Verfahren (nach THYSSEN-Blasmetallurgie) Nachteile der Aufblasverfahren: unvollstndige Durchmischung hherer O2-Druckzu hohe O2-Gehalte im StahlNachteile der Durchblasver-fahren: geringer Schrottsatz Entwicklung von Kombiverfahren O2-Aufblasen & Inertgassplen durchden Boden bzw. O2-Auf- & Bodenblasen Kombinationsverfahren WERKSTOFFE 2 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Dezember 2013 214 Vom Roheisen zum Rohstahl Frischverfahren SauerstoffblasverfahrenGegenberstellung der Verfahren WERKSTOFFE 2 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Dezember 2013 215 Vom Roheisen zum Rohstahl Frischverfahren SauerstoffblasverfahrenEntwicklung der Konvertergre & -leistung WERKSTOFFE 2 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Dezember 2013 216 Elektrostahlverfahren WERKSTOFFE 2 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Dezember 2013 217 Vom Roheisen zum Rohstahl ElektrostahlverfahrenHROULT 1904 bedeutendste Methode jenseits der traditionellen Hochofenroute (Erz = Hochofen = Konverter) Zeitbedarf 1 2,5 h Einsatz hauptschlich als Recyclingverfahren(Verwendung bis zu 100% Stahlschrott) Erzeugung der Schmelzwrme durch einen Lichtbogen Gasentladung zwi-schen zwei Elek-troden mit sehr hoher Spannung (mehrere 1000 V) WERKSTOFFE 2 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Dezember 2013 218 Vom Roheisen zum Rohstahl Elektrostahlverfahren Elektrolichtbogenofen (electric arc furnace) WERKSTOFFE 2 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Dezember 2013 219 Vom Roheisen zum Rohstahl Elektrostahlverfahren Vorgehensweise Chargierung Zugabe von Erzen, Koks, Legierungs- elementen als Ferrolegierungen WERKSTOFFE 2 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Dezember 2013 220 Vom Roheisen zum Rohstahl Elektrostahlverfahren Erschmelzung jeder beliebigen Stahl-sorte Einsatz hochschmelzender Legierungs-elemente (W, Mo) mglich Unabhngigkeit vom Einsatzstoff hoher Wirkungsgrad & hohe Flexibilitt Kostenintensiv! Bis 80 MW/t Rohstahl! WERKSTOFFE 2 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Dezember 2013 221 Vom Roheisen zum Rohstahl Methode19521958196819721978 THOMAS-Verfahren55,038,428,318,11,0 SIEMENS-MARTIN-Verfahren 36,451,226,017,75,8 LD-Verfahren 0,71,232,451,972,8 Elektrostahl-verfahren 7,99,213,112,320,3 Frischverfahren im zeitlichen Wandel Frischverfahren WERKSTOFFE 2 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Dezember 2013 222 Vom Roheisen zum Rohstahl Frischverfahren Frischverfahren im zeitlichen Wandel WERKSTOFFE 2 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Dezember 2013 223 Vom Roheisen zum Rohstahl Frischverfahren Torpedopfanne zum Roheisentransport Stahlwerk WERKSTOFFE 2 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Dezember 2013 224 Sekundr-metallurgie WERKSTOFFE 2 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Dezember 2013 225 Sekundr-metallurgie Sekundrmetallurgie Nachbehandlung des Stahls aufgrund erhhter Qualittsanforderungen alle Verfahrensschritte auerhalb von Hochofen, Konver-ter und Lichtbogenofen (ohne Wrmebehandlungen) Frischen eigentliches Ende des metallurgischen Prozesses: Stahl kann vergossen & gewalzt werdenHomogenisierung von Tem-peratur & Zusammensetzung Entgasung Legierungseinstellung Einstellung exakter Gehalte von C, N, H, P, S auf 0,001% Desoxidation Entfernung von Spurenelementen WERKSTOFFE 2 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Dezember 2013 226 Sekundr-metallurgie Manahmen der Sekundrmetallurgie Vakuumbehandlung Vermeiden des Schlackemitlaufens Mischen/Homogenisieren Einbringen von Feststoffen WERKSTOFFE 2 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Dezember 2013 227 Sekundr-metallurgie Manahmen der Sekundrmetallurgie Aufheizen Schutz des Giestrahls inPfannen und Verteilerrinnen elektromagnetisches Rhrenbeim Stranggieen WERKSTOFFE 2 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Dezember 2013 228 Sekundr-metallurgie Pfannenmetallurgie Vakuummetallurgie Umschmelzverfahren Sonderverfahren zurHerstellung hochlegierter Sthle Verfahren der Sekundrmetallurgie WERKSTOFFE 2 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Dezember 2013 229 Sekundr-metallurgie Splgasbehandlung ber Splsteine, Lanzen oder mit Hilfe des elektromag-netischen Rhrens Zugabe von Legierungselementen, Desoxidationsmitteln oder Schlackenbild-nern ber Frdersysteme Einblasen von Feststoffen und Legierungsmitteln mit Hilfe von Lanzen Einspulen von Legierungsdraht Vakuumentgasung mit verschiedenen Einzelverfahren Vakuum-Konverterverfahren Verfahren der Sekundrmetallurgie WERKSTOFFE 2 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Dezember 2013 230 Desoxidation WERKSTOFFE 2 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Dezember 2013 231 Sekundr-metallurgie Ziel: Entfernung des Restsauerstoffs aus der Schmelze (whrend des Ab-stichs oder danach) Zugabe von Desoxidationsmitteln: Ferrosilicium oder Aluminium Si + O2 SiO2 bzw. 4 Al+ 3 O2 2 Al2O3 Desoxidationsprodukte werden in Schlacke abgebunden oder Verbleib in feinstverteilter, unschdlicher Form im Stahl Desoxidation Desoxidations-reaktionen WERKSTOFFE 2 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Dezember 2013 232 Sekundr-metallurgie Bedeutung der Desoxidation: beim Erstarren des Stahls wird der gelste Sauerstoff grtenteils frei und verbindet sich mit Kohlenstoff unter Ver-doppelung des Volumens zu CO Desoxidation Kochen der Schmelze unberuhigtes Erstarren des Stahls Probleme beim Stranggieen beruhigtes Erstarren des Stahls keine Seigerungen Zugabe von Desoxidationsmitteln Desoxidations-reaktionen WERKSTOFFE 2 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Dezember 2013 233 Sekundr-metallurgie unberuhigt halb-beruhigt beruhigt besonders beruhigt DesoxidationStufen Desoxidations-reaktionen WERKSTOFFE 2 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Dezember 2013 234 Entfernung unerwnschter Begleitelemente WERKSTOFFE 2 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Dezember 2013 235 Sekundr-metallurgie Groteil an S durch Hochofenproze/Roheisenentschwefelung entfernt niedrigste S-Gehalte nur durch Nachentschwefelung des flssigen Stahls mglichZugabe von Elementen/Verbindungen mit hoher Schwefelaffinitt (Soda, Magnesium, Kalk/Calciumverbindungen) S-Gehalte < 0,0002% erreichbar Entschwefelung in der Pfanne: Einblasen/Einbringen der Schwefelentferner hohe Temperaturen und intensive Durchmischung (Splen mit Inertgas) ntig Entschwefelung Entschwefelung WERKSTOFFE 2 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Dezember 2013 236 Sekundr-metallurgie Groteil des notwendigen Kohlenstoffabbaus kann bereits beim kombinier-ten Blasen mit Inertgasen im Konverter erzielt werden C-Tiefstwerte werden durch nachfolgende Vakuumentgasung bzw. Vakuum-frischen eingestellt Nachteil: sehr lange Behandlungszeiten Entkohlung WERKSTOFFE 2 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Dezember 2013 237 Sekundr-metallurgie P-Entfernung eigentlich mit Beendigung der Schmelzprozesse abgeschlossen sehr geringe P-Werte durch Zugabe von synthetischer Schlacke bei gleich-zeitiger intensiver Durchmischung (Rhrgas) Vakuumbehandlung unter intensivem Rhren Entphosphorung Entfernung von Wasserstoff WERKSTOFFE 2 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Dezember 2013 238 Sekundr-metallurgie Zufuhr von Stickstoff beim kombinierten Blasen und Abgieen verhindern Pfannenbehandlung: Entfernung von Stickstoff erfolgt unter schtzender Schlackenschicht Vakuumbehandlung/Vakuumfrischen: Entfernung des Stickstoffs durch Sp-len mit Argon sehr schwierig, Verringerung mglich durch Zugabe von Calciumverbindun-gen Entfernung von Stickstoff Entfernung von Cu, Sn, As, Sb WERKSTOFFE 2 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Dezember 2013 239 Entgasung WERKSTOFFE 2 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Dezember 2013 240 Sekundr-metallurgie Behandlung unter stark vermindertem Druck (0,1 0,5 mbar) Vorrangstellung wegen Vielseitigkeit und besonderer Vorteile: verbesserte Reinheit der Sthle niedrige Gasgehalte enge Legierungstoleranzen VakuumbehandlungEinfhrung Entgasung WERKSTOFFE 2 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Dezember 2013 241 Sekundr-metallurgie Prinzip der Vakuumbehandlung: gelste Gase knnen bei der Erstarrung nur teilweise entweichenVer-schlechterung der technologischen Eigenschaften Absenkung des Auendrucksgelste Gase entweichen weitere metallurgische Reaktionen: Feinentkohlung, Legieren, Desoxidation (Vakuummetallurgie) VakuumbehandlungPrinzip Entgasung WERKSTOFFE 2 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Dezember 2013 242 Sekundr-metallurgie Vakuumbehandlungbersicht Entgasung WERKSTOFFE 2 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Dezember 2013 243 Sekundr-metallurgie Pfannen-entgasung Pfannenstandentgasung (VOD-Anlage) VakuumbehandlungVerfahrensgruppen Entweichen der gelsten Gase in einem Vakuumbehlter; Pfanneninhalt kann beheizt & mit Ar gesplt werden Entgasung WERKSTOFFE 2 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Dezember 2013 244 Sekundr-metallurgie Teilmengen-entgasung VakuumbehandlungVerfahrensgruppen Vakuumumlaufverfahren (RH-Verfahren) RH-Verfahren: Ruhrstahl-Heraeus-Verfahren zwei Stutzen eines evakuierten Behlters tauchen in dieGiepfanne in einen Stutzen wird ein Frdergas geleitetStahl wirdspezifisch leichter und steigt durch Vakuum in Vakuumge- f, wird dort zerstubt und den gewnschten Reaktionenunterworfen Entgasung WERKSTOFFE 2 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Dezember 2013 245 Sekundr-metallurgie Teilmengen-entgasung VakuumbehandlungVerfahrensgruppen ber zweiten Stutzen luft der entgaste und spe- zifisch wieder schwerere Stahl zurck in die Pfan- neUmlaufbewegung nach kurzer Zeit ist der gesamte Pfanneninhaltdurch das Vakuumgef geschleust und entgast Entgasung Vakuumumlaufverfahren (RH-Verfahren) WERKSTOFFE 2 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Dezember 2013 DH-Verfahren: Dortmund-Hrde-Verfahren Heben und Senken des Vakuumgefes, Stutzen taucht in Schmelze Absenken: Teil der Schmelze steigt unter heftiger Bewegung in das Vakuum-gef Anheben: Stahl fliet infolge seines Eigengewichtes wieder zurck in Pfanne Wiederholung fhrt zur vollstndigen Entgasung des Pfanneninhalts 246 Sekundr-metallurgie Teilmengen-entgasung VakuumbehandlungVerfahrensgruppen Entgasung Vakuumheberverfahren (DH-Verfahren) WERKSTOFFE 2 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Dezember 2013 247 Umschmelzverfahren WERKSTOFFE 2 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Dezember 2013 248 Sekundr-metallurgie Reinheitsgrad kann fr hchste Qualittsanforderungen durch Umschmelzen eines bereits vergossenen und erstarrten Blockes im Vakuum verbessert werden (aber: hohe Kosten!) ESU-Verfahren (Elektroschlacke-Umschmelzverfahren): umzuschmelzender Block wird in Form einer Ab- schmelzelektrode in ein Schlackebad getaucht die zum Schmelzen erforderliche Wrme wirdbeimDurchgang des Stromes durch das als Widerstand wir- kende Schlackenbad erzeugt Umschmelzverfahren WERKSTOFFE 2 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Dezember 2013 249 Sekundr-metallurgie Flssigstahl tropft durch die heie, reaktionsfhigeSchlacke und wird dabei gereinigt (Filterwirkung)und erstarrt anschlieend wieder in wassergekhl- ter Kokille Kennzeichen des ESU-Verfahrens: fehlerfreies Gefge, gerichtete Erstarrung, Ver- besserung der technologischen Eigenschaften hchste Reinheit: geringe Gasgehalte, geringe nichtmetallische Einschlsse Umschmelzverfahren WERKSTOFFE 2 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Dezember 2013 250 Formgebungvon Stahl WERKSTOFFE 2 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Dezember 2013 251 Sekundr-metallurgie Erzeugung von Formen, Abmessungen & Eigenschaften des sekundrmetal-lurgisch bearbeiteten Stahls Formgebungvon Stahl Einfhrung WRME-BEHANDLUNG URFORMUNGGieenBlockguStranggu UMFORMUNGWalzenWarmwalzenKaltwalzen Verfahren WERKSTOFFE 2 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Dezember 2013 252 Sekundr-metallurgie Formgebungvon Stahl Verfahrensberblick WERKSTOFFE 2 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Dezember 2013 253 Sekundr-metallurgie Formgebungvon Stahl Verfahrensberblick WERKSTOFFE 2 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Dezember 2013 254 Sekundr-metallurgie SekundrmetallurgieVergieenWarmwalzwerk nachbehandelter Stahl mu zu bestimmten Formen und Abmessungen ver-festigt werdenVorbereitung fr Weiterverarbeitung durch Walzen Unterscheidung: Formgebungvon Stahl Blockgu-verfahren Stranggie-verfahren kontinuierliches Vergieen in Blk-ke mit rechteckigem Querschnitt (Brammen) Anteil in D: ca. 96% portionsweises Abgieen in gueiser-ne Dauerformen (Kokillen) trotz geringer Bedeutung fr spezielle Anwendungsbereiche unverzichtbar Vergieen des Stahls WERKSTOFFE 2 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Dezember 2013 255 Blockgu WERKSTOFFE 2 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Dezember 2013 256 Sekundr-metallurgie Vergieen des Stahls zu geometrisch einfachen Krpern insich nach oben verjngende Dauerformen (Kokillen) vonquadratischem, rechteckigem, rundem, ovalem oder poly- gonalem Querschnitt erstarrter Stahl wird nach Rohblcken und Rohbrammenunterschieden Rohbrammen: rechteckige Querschnitte, deren Breitemindestens doppelt so gro wie die Dicke Formgebungvon Stahl Blockgu WERKSTOFFE 2 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Dezember 2013 257 Sekundr-metallurgie Obergu (fallender Gu): flssiger Stahl fliet direkt von oben aus der Giepfanne in die darunter befindliche Kokille ( Blcke/Brammen bis zu 300 Tonnen!) Oberflche dieser Gustcke ist durch Metallspritzer, die beim Aufprall an der Kokillenwand schnell erkalten, hufig rauh und unregelmig Untergu (Gespanngu): flssiger Stahl fliet durch einen zentralen Gie-trichter, verteilt sich durch Kanle auf mehrere Kokillen (2 bis 8) und fllt diese von unten Stahl steigt in Kokillen langsam und ruhig aufbessere Oberflche Formgebungvon Stahl Blockgu WERKSTOFFE 2 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Dezember 2013 258 Sekundr-metallurgie nach dem Erstarren werden die Kokillen abgezogen (ge- strippt); Blcke/ Brammen werden in spezielle fen gebracht ( Temperaturausgleich zwischen Randschichten und Kern) Gustcke weisen in Schnittflchen kaum Blasen auf, besitzen aber im oberen Teil (Kopf) einen Schwindungshohlraum(Lunker), der vor der Weiterverarbeitung abgetrennt (ge- schopft) werden mu Formgebungvon Stahl Blockgu WERKSTOFFE 2 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Dezember 2013 259 Stranggu WERKSTOFFE 2 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Dezember 2013 260 Sekundr-metallurgie Ausgangspunkt: Ausschlu der mglichen Fehlerquellen des Blockgusses (Lunker & Gasblasen) Ablauf des Stranggieens: Flssigstahl gelangt aus der Giepfanne in einenZwischenbehlter bzw. Verteiler (Tundish miteinem Fassungsvermgen zwischen 15-40 Tonnen) aus dem Verteiler fliet der Stahl in wasserge- khlte Kupferkokillen der einzelnen Strnge Formgebungvon Stahl Stranggu WERKSTOFFE 2 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Dezember 2013 261 Sekundr-metallurgie endloser Strangbeliebige Lnge gleichmige Erstarrungkeine Seigerungen, keine Lunker kontinuierliches Verfahrenschneller Abgu direkte WeiterverarbeitungWarmwalzband grere Wirtschaftlichkeit durch weniger Arbeitsgnge Formgebungvon Stahl Stranggu WERKSTOFFE 2 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Dezember 2013 262 Sekundr-metallurgie Giegeschwindigkeiten: 0,6 - 2 Meter pro Minute nach vollstndiger Erstarrung wird der Strang durch mitfah- rende Schneidbrenner oder Scheren auf gewnschte Lngezerteilt Bauarten von Stranggieanlagen: Senkrecht-, Senkrechtabbiege-, Kreisbogen- oder Ovalbo- genanlagen Formate: Breiten 3250 mm (blich 400 x 2500 mm) Formgebungvon Stahl Stranggu WERKSTOFFE 2 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Dezember 2013 263 Sekundr-metallurgie Formgebungvon Stahl StrangguStranggieanlage WERKSTOFFE 2 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Dezember 2013 264 Sekundr-metallurgie drei verschiedene Verfahrensrichtun- gen fr die Herstellung von Flachpro- dukten: Dnnbrammengieen (Giedicke50-90 mm) Vorbandgieen (10-15 mm) Bandgieen (1-5 mm) im Vergleich mit konventionellem Stranggu: krzere Prozekette Formgebungvon Stahl endabmessungsnahes Gieen WERKSTOFFE 2 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Dezember 2013 265 Sekundr-metallurgie Formgebungvon Stahl Dnnbrammengie-walzanlage WERKSTOFFE 2 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Dezember 2013 266 Sekundr-metallurgie Formgebungvon Stahl Schnittstelle Stranggu-anlage - Warmwalzband WERKSTOFFE 2 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Dezember 2013 267 Walzen WERKSTOFFE 2 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Dezember 2013 268 Sekundr-metallurgie Umformen: Ausnutzung des Vermgens zur bleibenden Formnderung plastische FormnderungVerfestigung (Widerstand gegen weiteres Glei-ten auf Gleitebenen) Rekristallisation: Neubildung von Kristalliten bei erhhter Temperatur nach vorangegan-gener Umformung (mit Gefgeverzerrungen verbunden) Rekristallisationstemperatur zwischen 800 C und 1150 C Unterscheidung: Formgebungvon Stahl Kalt-umformung Warm-umformung Walzen von StahlGrundlagen WERKSTOFFE 2 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Dezember 2013 269 Sekundr-metallurgie Formgebungvon Stahl Kalt-umformung Warm-umformung Umformen bei hohen Temperaturen: plastische Umfor-mung oberhalb der Rekristallisationstemperatur dauernde Kristallneubildung keine Verfestigung geringer Widerstand gegen Umformung Umformen ohne Anwrmen: plastische Umformung un-terhalb der Rekristallisationstemperatur wachsende Verzerrung des Kristallgefges Verfestigung wachsender Widerstand gegen Umformung ( Bruch) Walzen von StahlWarm- und Kaltumformung WERKSTOFFE 2 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Dezember 2013 270 Sekundr-metallurgie Temperaturbereiche fr Stahl: weicher Stahl: 1100 bis 1200 C (Weiglut) harter Stahl: 1000 bis 1100 C (Gelbglut) untere Erwrmungsgrenze: 800 bis 900 C (Rotglut) unzweckmige Wrmefhrung kann Eigenschaften des Walzguts beein-trchtigen: berhitzungGrobkornbildung, bei Luftzutritt: Entkohlung/Verzunderung Verbrennen: >1200 COxidation auf den Korngrenzen, die nicht rckgn-gig gemacht werden kann Formgebungvon Stahl Walzen von StahlWarmumformung WERKSTOFFE 2 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Dezember 2013 271 Sekundr-metallurgie Blaubruch: Verformung im Bereich 300-500 CRibildung infolge vermin-derter Verformbarkeit Formgebungvon Stahl Walzen von StahlWarmumformung WERKSTOFFE 2 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Dezember 2013 272 Sekundr-metallurgie Walzen ist ein stetiges oder schrittweises Umformen mit Hilfe von mehre-ren sich drehenden Werkzeugen, den Walzen Beanspruchung des WS in der Hauptsache auf Druck ( Druckumformen) Unterscheidung nach Art der Bewegungsvorgnge von Werkzeug und WS: Lngswalzen: Umformung des Walzguts in Richtung seiner Lngsachse (senk-recht zu den WalzachsenHerstellung von Flach- und Profilerzeugnissen) Querwalzen: Umformung ohne Bewegung in Achsrichtung um die eigene Achse (mengenmig untergeordnet) Formgebungvon Stahl Walzen von StahlGrundbegriffe WERKSTOFFE 2 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Dezember 2013 273 Sekundr-metallurgie Schrgwalzen: Umformung unter Drehung sowohl um die eigene Achse als auch in Richtung der Lngsachse ( Herstellung nahtloser Rohre) Formgebungvon Stahl Walzen von StahlGrundbegriffe WERKSTOFFE 2 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Dezember 2013 274 Sekundr-metallurgie Formgebungvon Stahl Arten von Lngswalzen Umform- vorgnge Flachwalzen Profilwalzen Walzen von StahlGrundbegriffe WERKSTOFFE 2 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Dezember 2013 275 Sekundr-metallurgie Formgebungvon Stahl Lngswalzen Walzen von StahlGrundbegriffe WERKSTOFFE 2 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Dezember 2013 276 Sekundr-metallurgie Gesamtheit der Einrichtungen zum Walzen von Stahl: fen, Walzstrae, Zu-richtung (Adjustage) Formgebungvon Stahl Walzen von StahlWalzwerk Walzstrae: Zusammenstellung der fr die Umformung des Walzprodukts notwendigen WalzgersteWERKSTOFFE 2 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Dezember 2013 277 Sekundr-metallurgie Formgebungvon Stahl Umformgrade (geometrische Verhltnisse von Ein-gangs- zu Ausgangsgre) bis zu 1:250 Walzen von StahlWarmwalzwerk WERKSTOFFE 2 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Dezember 2013 278 Sekundr-metallurgie Erzeugung kleiner, durch Warmwalzen nicht erreichbarer Abmessungen hhere Magenauigkeiten als beim Warmumformen hhere Festigkeiten, angepat an Verwendungszweck Verbesserung der Oberflchengte Verfahren: Kaltwalzen Kaltziehen: Formgebung durch Hindurchziehen des WS durch eine runde oder anders profilierte ffnungFormgebungvon Stahl Walzen von StahlKaltumformung WERKSTOFFE 2 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Dezember 2013 279 Sekundr-metallurgie Halbzeuge Formgebungvon Stahl Walzen von StahlWalzstahlerzeugnisse WERKSTOFFE 2 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Dezember 2013 280 Sekundr-metallurgie Formgebungvon Stahl Walzen von StahlWalzstahlerzeugnisse Fertigerzeugnisse Flacherzeugnisse Langerzeugnisse Rohre Ringe, Radreifen, Vollrder1852 Erfindung des nahtlosen Radreifens durch A. Krupp WERKSTOFFE 2 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Dezember 2013 281 Sekundr-metallurgie Formgebungvon Stahl Walzen von StahlGrobblechstrae WERKSTOFFE 2 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Dezember 2013 282 Sekundr-metallurgie Formgebungvon Stahl Anordnung im Httenwerk WERKSTOFFE 2 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Dezember 2013 283 Ausblick WERKSTOFFE 2 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Dezember 2013 284 Sekundr-metallurgie Wandel bei der Eisen- und Stahlherstellung in den letzten Jahrzehnten: gesteigerte Qualittsanforderungen Errichtung von Httenwerken in Schwellenlndern mit noch geringem Pro-Kopf-Stahlverbrauch Suche nach alternativen, rohstoff- und energieschonenden Verfahren wesentliche Verfahrenslinien zur Roheisenherstellung: Hochofenroute Erzeugung von Eisenschwamm durch Direkt- bzw. Schmelzreduktion Vernderungen bei Stahlerzeugung: Verdrngung anderer Verfahren durch Sauerstoffblas- und Elektrostahlver-fahren als leistungsfhige Erzeugungsrouten Ausblick WERKSTOFFE 2 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Dezember 2013 285 Sekundr-metallurgie Entwicklung von Ministahlwerken (< 1 Mio. t/a) als sehr flexible Produk-tionssttten Ausblick WERKSTOFFE 2 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Dezember 2013 286 Sekundr-metallurgie zwei Entwicklungslinien: Hochofen Konverterstahlwerk Stranggu Schrott/Direktreduktion Elektrolichtbogenofen Stranggu weitere Verbesserungen: Hochfen: geringerer Koksverbrauch, verbesserte Mllervorbereitung) Stahlwerke: verkrzte Frischzeitenusw. Ausblick WERKSTOFFE 2 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Dezember 2013 287 Alternativ-wege WERKSTOFFE 2 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Dezember 2013 288 Alternativ-wege weitere Nachteile der Hochofenroute: hohe Anforderungen an die Einsatzstoffe hoher Aussto an Kohlenstoffdioxid Aus metallurgischer Sicht stellt das Hochofenverfahren einen Umweg dar, weilwhrendderReduktionKohlenstoffzumRoheisenaufgenommen wird und zur Stahlherstellung wieder entfernt werden mu! Alternativen zur Hochofenroute WERKSTOFFE 2 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Dezember 2013 289 Alternativ-wege Direkt-reduktion Schmelz-reduktion Alternativen zur Hochofenroute Alternativwege WERKSTOFFE 2 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Dezember 2013 290 Alternativ-wege Direktreduktions- verfahren WERKSTOFFE 2 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Dezember 2013 291 Alternativ-wege Reduktion von Erz (Hmatit in Pelletform) zu Eisenschwamm DRI direct reduced iron (90-97% Fe) HBI hot briquetted iron (90-92% Fe) schwammartiges Produkt mit groem Porenvolumen kompaktes DRI Prinzip WERKSTOFFE 2 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Dezember 2013 292 Alternativ-wege betriebliche Einfhrung in den 1950er Jahren Direktreduktionsverfahren konnten aber zu keiner Zeit ihrem Ruf als echte Alternative gerecht werdenGrnde: heutige Energiesituation erlaubt nur Standorte mit verfgbarer preiswer-ter Energie, namentlich gnstiges Erdgas Entwicklung des Marktes fr Stahlschrott als Konkurrenz Produktion 2006: 59,7 Millionen Tonnen DRI/HBI (Nachfrage aber steigend!) Einsatz des hochwertigen DRI/HBI berwiegend im Elektroofen Direktreduktions-verfahren Charakteristika WERKSTOFFE 2 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Dezember 2013 293 Alternativ-wege Direktreduktions-verfahren Gasreduktions-verfahren (80% Anteil) Feststoffreduktions-verfahren (20% Anteil) Schachtofen: Midrex-Verfahren HyL III-Verfahren Danarex-Verfahren Retorte: HylL I/II-Verfahren Wirbelschicht: Fior-Verfahren Finmet-Verfahren Circored-Verfahren Drehrohr: SL/RN-Verfahren DRC-Verfahren Drehherd: Inmetco-Verfahren Fastmet-Verfahrend Etagenofen: Primus-Verfahren Unterteilung Einsatz von Stckerz Einsatz von Feinerz WERKSTOFFE 2 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Dezember 2013 294 Alternativ-wege Direktreduktions-verfahren Unterteilung Feinerz wird von Redukt-ionsgas aufgewirbelt und im Schwebezustand reduziert kontinuierlich abgeschie-denes Fe-Pulver wird an-schlieend brikettiert Wirbelschicht-verfahren Reduktion erfolgt in mehre-ren Behltern (Retorten), die nacheinander vom hei-en Reduktionsgas durch-strmt werden Gegenstromprinzip Retorten-verfahren klassierter Erzmller wird in einem senkrechten Schachtofen von durch-geblasenem Reduktionsgas reduziert kontinuierlicher Betrieb Schachtofen-verfahren stckiges Erz wird im be-heizten, schwach geneigten Drehrohrofen mit festem Brennstoff reduziert Vorteil: Verzicht auf Koks Drehrohrofen-verfahren WERKSTOFFE 2 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Dezember 2013 295 Alternativ-wege Direktreduktions-verfahren Gasreduktions-verfahren WERKSTOFFE 2 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Dezember 2013 296 Midrex-Verfahren WERKSTOFFE 2 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Dezember 2013 297 Alternativ-wege bedeutendstes Direktreduktionsverfahren: Direktreduktions-verfahren Midrex-Verfahren (1975)EinfhrungMidrex Corp., USA WERKSTOFFE 2 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Dezember 2013 298 Alternativ-wege Reduktion von Stckerz in einem Schachtofen nach dem Gegenstromprinzip mit wasserstoffreichem Reduktionsgasgemisch (ca. 55% H2) zu teigigem DRI Reduktionsgaserzeugung: Spaltung von Erdgas in einem Gasreformer Gasumsetzung mit dem CO2-Gehalt des Gichtgases:CH4 + CO2 2 CO + 2 H2 + 11000 kJ/m3 CH4 Einblasen des Reduktionsgases mit einer Temperatur von 750 - 900 C in den unteren Teil der Reduktionszone des Schachtes (Betriebsdruck 1,5 bar) DRI wird entweder in einer separaten Khlzone abgekhlt oder direkt hei brikettiert ( HBI) Direktreduktions-verfahren Midrex-VerfahrenCharakteristika Einsatz von Stckerz WERKSTOFFE 2 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Dezember 2013 299 Alternativ-wege Direktreduktions-verfahren Midrex-VerfahrenVerfahrensschema WERKSTOFFE 2 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Dezember 2013 300 HyL III-Verfahren WERKSTOFFE 2 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Dezember 2013 301 Alternativ-wege Einsatz von Stckerz im Schachtofen (Betriebsdruck 5-8 bar) Spaltung des Erdgases im katalytischen Gasreformer mit Wasserdampf: CH4 + H2O CO + 3 H2 + 9200 kJ/m3 CH4 Modifikation: HyL-ZR-Verfahren ZRZero Reformer, die Umsetzung des Erdgases erfolgt nach partieller Oxidation im Schacht am heien Eisenschwamm; Gasreformer daher ber-flssig weitere, oft sehr spezielle Modifikationen bekannt Direktreduktions-verfahren CharakteristikaHyL III-Verfahren (1957)Hojalata-y-Lumina, Mexiko WERKSTOFFE 2 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Dezember 2013 302 Alternativ-wege Direktreduktions-verfahren VerfahrensschemaHyL III-Verfahren Einsatz von Stckerz WERKSTOFFE 2 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Dezember 2013 303 Danarex-Verfahren WERKSTOFFE 2 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Dezember 2013 304 Alternativ-wege Schachtofenproze ohne Gasreformer (vgl. HyL III-ZR-Verfahren) Autoreforming des heien Erdgases oder des durch Kohlevergasung erzeug-ten Synthesegases (Mischung aus CO und H2) am heien DRI im Schacht, nachdem das Gas mit Sauerstoff partiell oxidiert wurde: CH4 + CO2 2 CO + 2 H2 CH4 + H2O CO + 3 H2 Erzeugung eines sehr stabilen Produktes durch gezielte Bildung einer Ze-mentitschicht auf der DRI-Pelletoberflche (Supermetallic, nicht pyro-phor, mu fr Transport weder inertisiert noch brikettiert werden) Direktreduktions-verfahren Danarex-VerfahrenCharakteristika Einsatz von Stckerz WERKSTOFFE 2 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Dezember 2013 305 Alternativ-wege Direktreduktions-verfahren Danarex-VerfahrenVerfahrensschema WERKSTOFFE 2 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Dezember 2013 306 Fior-Verfahren WERKSTOFFE 2 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Dezember 2013 307 Alternativ-wege FIOR: Fluidised Iron Ore Reduction lange Zeit einziges groindustriell genutztes Gasreduktionsverfahren (vier-stufiges Wirbelschichtverfahren) mit Feinerzen wasserstoffreiches Reduktionsgas (90 - 92% H2) wird durch Cracken von Erdgas mit Wasserdampf und Oxidation des CO zu CO2 mit anschlieender CO2-Wsche erzeugt Direktreduktions-verfahren Fior-Verfahren (1991)Charakteristika Fior, Venezuela & Voest Alpine, sterreich WERKSTOFFE 2 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Dezember 2013 308 Alternativ-wege mehrstufige Reduktion der Feinerze bei ca. 720 C, Betriebsdruck 11 bar Verweilzeit zwischen dem ersten Reaktor (Aufheizen) und dem vierten (Endreduktionsstufe) betrgt 90 Minuten Druckentspannung im vierten Wirbelbett; feinkrniges DRI wird einem Silo zugefhrt, von dem Brikettiermaschinen beschickt werden Briketts haben Metallisierungsgrad von 93%, C-Gehalte von 0,6 - 3% einstell-bar z.Zt. keine aktive FIOR-Anlage Direktreduktions-verfahren Fior-VerfahrenCharakteristika Einsatz von Feinerz WERKSTOFFE 2 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Dezember 2013 309 weitere Verfahren WERKSTOFFE 2 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Dezember 2013 310 Alternativ-wege wesentliche Verbesserungen zum Fior-Verfahren im Bereich der Gasrckfh-rung zur Verlngerung der Standzeiten der Wirbelschichten Erz in der ersten Stufe wird durch rckgefhrtes heies Prozegas aufge-wrmt (Fior: Erdgas) hhere CO-Gehalte im Reduktionsgas zur Verbesserung der Wrmebilanz C-Gehalte bis zu 3% Direktreduktions-verfahren Finmet-Verfahren (1999)Charakteristika Fior, Venezuela & Voest Alpine, sterreich WERKSTOFFE 2 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Dezember 2013 311 Alternativ-wege Direktreduktions-verfahren Finmet-VerfahrenVerfahrensschema Einsatz von Feinerz WERKSTOFFE 2 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Dezember 2013 312 Alternativ-wege Reduktion von Feinerzen im zweistufigen Wirbelschichtreaktor mit Wasser-stoff; Betriebsdruck 4 bar Reduktion in erster Stufe (zirkulierende Wirbelschicht) mit einer kurzen Verweilzeit von 20 min Endreduktion in zweiter Stufe (stationre Wirbelschicht) mit einer lngeren Verweilzeit von 3-3,5 StundenMetallisierungsgrad 93-95% Direktreduktions-verfahren Circored-Verfahren (1997)Charakteristika Einsatz von Feinerz WERKSTOFFE 2 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Dezember 2013 313 Alternativ-wege Direktreduktions-verfahren Circored-VerfahrenVerfahrensschema WERKSTOFFE 2 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Dezember 2013 314 Alternativ-wege Direktreduktions-verfahren Feststoffreduktions-verfahren WERKSTOFFE 2 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Dezember 2013 315 Drehrohrverfahren WERKSTOFFE 2 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Dezember 2013 316 Alternativ-wege Hauptaggregat ist Drehrohrofen, in dem Erz, Zuschlge und Kohle aufgeheizt und zu Eisenschwamm reduziert werden Arbeitstemperatur: 900-1000 C (exakte Regulierung der Arbeitstemperatur) Drehrohrofenverfahren sind im Vergleich zu Schachtfen und Wirbelschicht-reaktoren bezglich der physikalisch Eigenschaften der eingesetzten Erze flexibler: Pellet-/Stckerzeinsatz ist blich Feinerzbetrieb aber mglich Nachteile: hoher Kohleverbrauch, geringe Produktivitt Direktreduktions-verfahren DrehrohrverfahrenCharakteristika WERKSTOFFE 2 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Dezember 2013 317 Alternativ-wege Direktreduktions-verfahren DrehrohrverfahrenVerfahrensschemaSL/RN-Verfahren WERKSTOFFE 2 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Dezember 2013 318 Drehherdverfahren WERKSTOFFE 2 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Dezember 2013 319 Alternativ-wege Einsatz von Grnpellets (mit eingebundenem Kohlenstoff) oder eine Mischung aus Eisenerzen, oxidischen Reststoffen und kohlenstoffhaltigen Reduktionsmitteln (Kohle, Koks etc.) Aufheizen der Edukte auf 1300 CReduktion im festen Zustand Verfahren: Fastmet, Inmetco, IDI Nachteile: hohe Gangartanteile im DRI (aus Reduktionsmitteln und Eisener-zen), geringe Produktivitt Direktreduktions-verfahren CharakteristikaDrehherdverfahren WERKSTOFFE 2 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Dezember 2013 320 Alternativ-wege ITmk3: Iron Technology Mark 3 neuer Typ von Drehherdverfahren Ziel: Reduktion der Eisenerze und Abtrennung der Gangart vom Eisen auf dem Drehherd werden Eisenerzpellets durch verschiedene Temperaturzo-nen (bis 1450 C) gefhrt Reduktion der Pellets Schmelzen des Eisens Abkhlung von Eisen und Schlacke Trennung in Eisennuggets (97% Fe) und granulierte SchlackeDirektreduktions-verfahren ITmk3-VerfahrenCharakteristika WERKSTOFFE 2 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Dezember 2013 321 Alternativ-wege Direktreduktions-verfahren VerfahrensschemaITmk3-Verfahren WERKSTOFFE 2 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Dezember 2013 322 Alternativ-wege Verfahren zur Erzeugung von DRI aus eisenreichen Reststoffen der Stahl-herstellung Hauptaggregat: Etagenofen Unterteilung des zylindrischen Ofenraums in bereinanderliegende Kam-mern bzw. Etagen, die mit ffnungen versehen sindMaterialtransport von einer Etage zur jeweils darunter liegenden Aufgabe der Einsatzstoffe auf die oberste Etagevertikaler Transport durch den seitlich beheizten Ofen mit Hilfe eines Krhlwerks Abgase durchstrmen den Ofen im Gegenstrom (Temp. bis 1100 C) Direktreduktions-verfahren Primus-VerfahrenCharakteristika WERKSTOFFE 2 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Dezember 2013 323 Alternativ-wege metalloxidhaltige Einsatzstoffe werden zusammen mit festem Reduktions-mittel in den Ofen eingebracht, Vermischung erfolgt erst im Ofen Prozetemperatur: ca. 950 C Metallisierungsgrad des DRI: 60 80% Direktreduktions-verfahren Primus-VerfahrenCharakteristika WERKSTOFFE 2 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Dezember 2013 324 Alternativ-wege Direktreduktions-verfahren Primus-VerfahrenVerfahrensschema WERKSTOFFE 2 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Dezember 2013 325 Alternativ-wege Schmelzreduktions- verfahren WERKSTOFFE 2 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Dezember 2013 326 Alternativ-wege Eisenbad-reaktoren Einschmelz-vergaser Fertigreduktion von geschmolzenem vor-reduziertem Erz mit Kohle und O2 1. Reduktion von Stckerz zu DRI mit Kohle und Sauerstoff 2. Einschmelzen Erzeugung von flssigem Roheisen auf Eisenerzbasis ohne Koks Prinzip & Unterteilung Schmelzreduktions-verfahren smelting-reduction WERKSTOFFE 2 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Dezember 2013 327 Alternativ-wege Zweiteilung des Hochofens unter Ver- meidung der Erweichungszone bzw.kohsiven Zone, in der Koks zur Auf- rechterhaltung der Durchgasung undals Sttzgerst fr die Mllersule er- forderlich ist Kombination von Direktreduktion mit einem Schmelzproze Schmelzreduktions-verfahren EinschmelzvergaserPrinzip & Verfahrensschema WERKSTOFFE 2 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Dezember 2013 328 Corex-Verfahren WERKSTOFFE 2 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Dezember 2013 329 Alternativ-wege Corex: Kohle-Reduktion (coal reduction) Betrieb mit st