Die Herstellung von Stahl

Von der Automobilindustrie, über den Werkzeug- und Maschinenbau bis hin zum Bauwesen: Stahl ist nicht nur in der Industrie gefragt; er ist auch ein fester Bestandteil unseres Alltags. Aber woraus setzt sich Stahl als eines der wichtigsten Materialien unserer Zeit zusammen und wie wird er hergestellt? Antworten zu Fragen rund um die Stahlherstellung, Stahleigenschaften sowie den verschiedenen Stahlarten und ihrer gängigen Verwendung gibt unser nachfolgender Überblick.

Googlet man die Zusammensetzung von Stahl, so findet man folgende Definition: „Stahl ist eine Eisen-Kohlenstoff-Legierung, die weniger als 2,06% Kohlenstoff enthält.” Was hat es damit auf sich?

Prozess der Stahlerzeugung

Um Stahl produzieren zu können, wird in einer Kokerei zunächst Kohle erhitzt. Das Pulver wird zu großen Klumpen zusammengebacken und es entsteht Koks. Letzteres wird mit Wasser abgelöscht und gesiebt, sodass Koksbrocken übrigbleiben. Neben der Kohle braucht es für die Herstellung von Stahl auch Eisenerz beziehungsweise Eisenoxid-Pulver. Diesem wird der feine Koks zugesetzt und die Mischung wird erhitzt. Die Hitze bewirkt, dass das Eisenpulver zu großen Klumpen zusammenbäckt. Das Ergebnis sind zwei Arten von Brocken: Eisen und Koks. Beides kommt nun zusammen in einen Hochofen. Diese Anlage, die nie stillsteht, ist unterteilt in vier Zonen: Die Vorwärmzone erreicht Temperaturen von bis zu 400°C, die Reduktionszone bis zu 900°C. In der Kohlungszone werden es 1400°C. Ganz unten im Hochofen, in der Schmelzzone, in der sich das Roheisen befindet, werden es sogar 1600°C.

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Abläufe im Hochofen

Durch eine Schleuse kommt in den Hochofen neben den beiden Elementen durch Ringleitungen auch „heißer Wind“, ergo Luft. Dieser Wind wird benötigt, um das Feuer im Ofen aufrecht zu erhalten. Vergleichen lässt sich das mit einem Grill, dem man Luft zufächelt, um die Kohle zum Glühen zu bekommen. Der Ablauf im Inneren sieht wie folgt aus:

Der Koks entnimmt dem Eisen den Sauerstoff, den er zum Brennen braucht. Durch diesen Reduktions-Prozess entsteht flüssiges Roheisen, in dem sich der Koks wie Zucker im Tee löst. Zeit für einen „Abstrich“: ein Bohrer bohrt ein Loch in den Ofen, damit das Eisen in riesige Bottiche ablaufen kann. Das Loch wird anschließend verschlossen. Jedoch ist zu diesem Zeitpunkt der Kohlenstoffanteil im Roheisen mit 4%  zu hoch. Um auf die gewünschten 2,06% zu kommen, muss Folgendes geschehen:

Das heiße Eisen wird in einen sogenannten Konverter (=Umwandler) gefüllt. Die wichtigste Zutat ist Stahlschrott.  Die Schrott-Art bestimmt, wofür der Stahl später auf Grund seiner Eigenschaften verwendet wird. Bei einem Autoblech beispielsweise muss der Stahl biegsam sein. Es eignet sich also nicht derselbe Schrott wie zum Beispiel für den Stahl, der für Eisenbahnräder benötigt wird.

In die Mischung aus Eisen und Schrott wird durch Bodendüsen Inertgas wie Stickstoff oder Argon eingeblasen, damit die glühende Masse umgerührt wird. Die Lösung für den hohen Kohlenstoffanteil, welches durch den Koks im heißen Eisen bedingt ist, ist das Blas-Verfahren: Mit einer Lanze wird Sauerstoff hinzugefügt damit dieser den Kohlenstoff verbrennt. So entsteht aus Roheisen Stahl. Eine gewisse Menge Kohlenstoff (aber max. 2,06%) bleibt im Stahl, denn völlig ohne wäre er zu weich. Kohlenstoff ist somit auch das wichtigste Legierungselement. Darüber hinaus gibt es beispielsweise Nickel und Chrom. Die Legierungselemente und ihre Eigenschaften werden im unteren Kapitel näher erläutert.  Zu guter Letzt: die Feinrezeptur. Hier ist die entscheidende Frage, welche Legierungselemente man hinzugibt – denn je nachdem was zugegeben wird, werden die Eigenschaften gezielt beeinflusst.

Erzeugung von Stahl mit Elektrolichtbogenofen

Eine weitere Methode zur Stahlherstellung ist der Lichtbogenofen. Ein Elektrolichtbogenofen dient zum Einschmelzen von Stahlschrott zur Wiederverwendung für Neuprodukte.

Mit Körben wird der Schrott über den Ofen gefahren und in den Ofen gefüllt. Anschließend wird der Deckel aufgesetzt, die Elektroden werden heruntergefahren und der Lichtbogen auf dem kalten Schrott gezündet. Es entstehen im Lichtbogen Temperaturen von bis zu 3500 °C, in der Stahlschmelze bis zu 1800 °C. Zusätzlicher Sauerstoff oder andere Brennstoff-Gasgemische beschleunigen den Schmelzprozess. Wenn die gewünschten chemischen Zusammensetzungen und Temperaturen des Stahles erreicht sind, wird der Ofen durch Kippen in die Stahlpfanne entleert.

„Es gibt eine Unterscheidung zwischen Drehstrom- und Gleichstromlichtbogenofen. Der Drehstromofen hat einen deutlich höheren Verbreitungsgrad als der Gleichstromofen. Letzterer hat Vorteile in Puncto Netzrückwirkungen, Geräuschemissionen und Elektrodenabbrands. Die Nachteile bestehen in der erforderlichen Sumpffahrweise und der aufwendigeren Elektrodenpflege.“

(Quelle: stahl-online)

Allgemein gilt, dass die Erzeugung von Stahl über die Lichtbogenofen-Route kostengünstiger ist als der Hochofenprozess.

Legierungselemente

Legierungselemente sind jene Elemente, die dem Stahl beigemengt werden, um ihm eine gewünschte Eigenschaft zu geben. Mit anderen Worten: Legierungselemente wirken auf das Gefüge, also die Art und Anordnung der Körnung des Stahls und heben so gewisse Eigenschaften besonders hervor.

Beispiele für Legierungselemente

Chrom, Nickel, Aluminium und Schwefel können als Legierungselemente verwendet werden und zur Eigenschaft des Stahls beitragen.

Chrom: führt zu einer verbesserten Korrosionsbeständigkeit
Nickel: der Stahl wird mit Nickel länger haltbar
Aluminium: die Schweißbarkeit wird optimiert
Schwefel: verbessert die Zerspanbarkeit
 

Neben Legierungselementen tragen auch Wärmebehandlungenzu veränderten Stahleigenschaften bei. Mehr zu den Wärmebehandlungen von Stahl gibt es in diesem Artikel.

Stahleigenschaften

Allgemein lässt sich sagen, dass Stahl folgende Eigenschaften innehat:

  • Plastisch verformbar: Während andere Stoffe unter Belastung zerbrechen oder reißen, gibt Stahl bis zu 25% nach bevor er bricht. Besonders im Bauwesen, z.B. im Brückenbau ist das wichtig.
  • Zäh: Zähigkeit ist gleichzusetzen mit der Widerstandsfähigkeit des Stahls. Für die Herstellung von hochbelasteten Bauteilen bedarf es einer extrem hohen Zähigkeit des Ausgangsmaterials.  
  • Ob Stahl schweißbar ist oder nicht, hängt von dem Kohlenstoffgehalt der Sorte ab. Schweißbar ist Stahl bei einem Kohlenstoffgehalt von weniger als 0,22%.
  • Bearbeitbar: auch als die Zerspanbarkeit des Stahls bezeichnet. Bearbeitungsmöglichkeiten sind Bohren, Fräsen, Bohren etc. Beispielsweise weist Automatenstahl (z.B. 11SMn30) eine gute Zerspanbarkeit auf.
  • Magnetisierbar: Je nachdem, welche Gefügeart (austenitisch, ferritisch, martensitisch) bei einer Stahlsorte besteht, können sich die magnetischen Eigenschaften des Eisens im Stahl auswirken oder nicht.
  • Härtbar: Härten erhöht die Widerstandsfähigkeit
    Schmelztemperatur: 1530 Grad Celsius
  • Dichte: 7,85 g/cm³

„Durch die hohe Zahl verwendeter Legierungen sind die technischen Eigenschaften von Stahl völlig von der jeweiligen Legierung und der Herstellungsweise abhängig. Es gibt kaum noch gemeinsame Eigenschaften, auch typisch Stoffeigenschaften wie Magnetisierbarkeit, Schmelzpunkte oder andere technische Eigenschaften. Lediglich die Dichte liegt bei Stahl in einem sehr eng umgrenzten Bereich, nämlich zwischen 7.850 und 7.870 kg/m³.“ (Quelle: Hausjournal)

Stahlarten

Rund 2.500 Stahlarten können dank verschiedenster Kombinationen der Legierungselemente und Bearbeitungsmöglichkeiten hergestellt werden. Kurz gefasst gibt es folgende Arten von Stahl:

  • Legierter Stahl: Summe aller Legierungselemente beträgt max.5%
  • Unlegierter Stahl: enthalten in Summe weniger als 1% an Legierungselementen
  • Hochlegiert: enthalten mind. 1 Legierungselement, welches mehr als 5% des Legierungsanteils ausmacht

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