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Als Stahl wird eine große Gruppe von Eisenlegierungen
bezeichnet, deren Eigenschaften (Festigkeit, Zähigkeit, chem. Beständigkeit)
sich durch Änderung der Legierungszusammensetzung und durch Wärmebehandlung
in weitem Maße verändern lassen.
Das wichtigste Legierungselement des Eisens ist der Kohlenstoff, dessen
Gehalt bei Stahl unter 1,7% liegt und entscheidend die Schmelztemperatur
beeinflußt. Weiterhin werden Cr, V, Ni, W, Mo u.a. als Legierelemente in
unterschiedlichen Mengen zugegeben.
Schon in prähistorischer Zeit, bereits vor der sogenannten Eisenzeit,
war Eisen ein begehrter Werkstoff, dessen Beschaffung allerdings noch
große Schwierigkeiten bereitete. Eines der ältesten gefundenen Messer
aus Stahl aus der Cheopspyramide ist nickelhaltig, was darauf schließen
läßt, daß vor 5000 Jahren Eisen aus Meteoriten durch Schmieden gewonnen
wurde (QUAK 1953).
Erst im Laufe des 3. Jahrtausends vor unserer Zeitrechnung begann die
Gewinnung des Eisens aus Erzen. Mit einfachsten Mitteln wurde in Ägypten,
Afrika und Indien "Schweißeisen" hergestellt. Hierzu dienten kleine,
mit Ton ausgekleidete Gruben, die so an Berghängen eingebaut waren, daß
durch eine Röhre der Wind das Holzkohlenfeuer entfachte. Aus dem Erz
schmolz das Eisen als ein teigiger, innig mit Schlacke durchsetzter
Klumpen von 7 bis 25 kg, eine sogenannte Luppe. Diese enthielt nach dem
Überschmieden nur noch feinverteilte Schlackeneinschlüsse und war gut
schweißbar. Später wurden Öfen mit Handfächer, Hand- und Tretbälgen
entwickelt.
Die Herstellung flüssigen Eisens gelang erst im Mittelalter, als das
Wasserrad zum Antrieb von Gebläsen eingeführt wurde. Der erste Eisenguß
des Büchsenmachers Gast um 1400 (QUAK 1953), die Roheisengewinnung in
England und der erste Blasofen im Siegerland in der Mitte des 15.Jhd.
werden als Beginn der Eisenindustrie gesehen.
Mit James Watts Erfindung der Dampfmaschine 1765 und der Einführung der
Winderhitzung begann die sprunghafte Entwicklung der Eisengewinnung und
-Verarbeitung. Nun setzte auch die eigentliche Stahlerzeugung ein.
1784 wurde der von CORT entwickelte Puddelofen eingesetzt, der aber
die nach der Eröffnung der ersten Eisenbahnstrecke Nürnberg - Fürth
benötigte Stahlmenge nicht mehr bereitstellen konnte.
Bereits 1855 entwickelte Bessemer das erste Windfrischverfahren, was in
kürzerer Zeit Eisen in Stahl umwandelte. Thomas stellte 1878 dieses
Verfahren auf phosphorhaltiges Eisen um. 1895 brachte das Siemens -
Martin - Verfahren die Unabhängigkeit von der Roheisensorte, die
Verarbeitung von Schrott und die Verbesserung der Stahlqualität mit
sich.
In der zweiten Hälfte des 20.Jhd. steigerten dann Entwicklungen wie das
LD- Verfahren (Sauerstoff- Aufblas- Verfahren) der Elektroofen und das
OBM- Verfahren die Produktivität und die Werkstoffqualität in der
Stahlherstellung.
Aus Erzen wird im Hochofen durch Zugabe von Zuschlägen und Reduktionsmitteln
(Koks) kohlenstoffreiches Roheisen erzeugt, daß noch Silizium, Mangan,
Phosphor, und Schwefel in unterschiedlichen Mengen beinhaltet und ist
als Werkstoff nicht ohne Nachbehandlung verwendbar. Es ist hart, spröde
und nicht schmiedbar.
Zur Umwandlung von weißem Roheisen (manganhaltig) in Stahl werden durch
Oxidation der Kohlenstoffgehalt und der Gehalt an Silizium und Mangan
herabgesetzt, Phosphor und Schwefel weitgehend beseitigt. Diesen
Vorgang nennt man Frischen. Es werden verschiedene Frischverfahren
angewendet. Der Stahl wird heute in flüssigem Zustand gewonnen und
deshalb Flußstahl genannt.
Roheisen wird aus Eisenerzen gewonnen, die zunächst vorbehandelt werden
müssen, um Verunreinigungen durch "taubes Gestein" zu beseitigen.
Hierzu werden folgende Verfahren angewendet:
Die eigentliche Roheisenherstellung erfolgt im
Hochofen. Dabei werden dem Erz Zuschläge (hauptsächlich Kalkstein oder
Dolomit) zugegeben, die den größten Teil der Beimengungen zu einer
flüssigen Schlacke binden. Weiterhin wird Koks in den Hochofen
eingebracht, der durch seine Verbrennung die notwendige Reduktions- und
Schmelzwärme liefert und der Aufkohlung des Eisens dient.
Ein Hochofen besteht aus zwei kegelstumpfartigen übereinandergestellten
Hohlkörpern aus feuerfestem Mauerwerk und ist 20 bis 40 m hoch
und hat einen Gestelldurchmesser von 6 bis 12 m. Seine Teile sind das
Gestell, Rast, Kohlensack, Schacht und Gicht. Das Mauerwerk ist mit
Kühlkanälen (Wasserkühlung) durchzogen und wird von einem Stahlgerüst
gehalten. Oben schließt der Ofen mit der Gichtbühne und dem glockenförmigen
Gichtverschluß ab. Durch einen Schrägaufzug werden die Rohstoffe auf
die Gicht befördert. Um den breitesten Teil des Ofens ist eine
ringförmige Windleitung gelegt, von der aus die Winddüsen in das
Innere des Ofens führen. Zu jedem Hochofen gehören bis zu vier
Winderhitzer, die im Wechsel auf Erwärmung oder Wind gestellt sind.
Die Winderhitzer, nach dem Erfinder auch Cowper genannt, sind
Stahlblechtürme mit feuerfester, gitterartiger Ausmauerung und einem
Brennschacht, in dem die vom Hochofen kommenden Gichtgase
(hauptsächlich CO, CO2, H2 und N2) mit Luft vermischt werden und
verbrennen und das Gitterwerk aufheizen. An diesem wird dann die
durchströmende Kaltluft erhitzt und als Heißwind in den Hochofen
gepreßt. Vielfach wird der Wind heute mit Sauerstoff angereichert.
Der Hochofen wird abwechselnd mit Koks und Möller (Erz und Zuschläge)
bzw. heute Sinter beschickt. Der Koks verbrennt beim Einblasen der
Heißluft und erzeugt die zur Reduktion der Erze notwendige Wärme.
Der Koks und das entstehende Kohlenmonoxid entziehen den Erzen den
Sauerstoff. Durch Aufkohlung wird der Schmelzpunkt des Eisens
herabgesetzt; es wird flüssig und sammelt sich im Gestell, in dem die
Trennung des Roheisens von der Schlacke im flüssigen Zustand erfolgt.
Die Zuschläge binden die unerwünschten Bestandteile und die Asche des
Kokses zu einer flüssigen Schlacke, die auf dem schweren Eisen schwimmt.
Das Roheisen wird alle 2-3 Stunden abgestochen. Die Tagesleistung
eines Hochofens beträgt durchschnittlich 2900t Roheisen (GERSCHLER 1988).
Roheisen aus dem Hochofen hat eine Dichte von 6,7 bis 7,3g/cm3und einen
C-Gehalt von 3 bis 5%.
Die Schlacke besteht aus Kalksilikaten und wird für Bauzwecke verwendet
(Hochofenzement). Die Behandlung der Erze kann auch im
Direktreduktions- Verfahren erfolgen, wobei in festem Zustand, ohne
Abtrennung der Gesteinskomponente vom Eisen, durch Reduktion
sogenannter Eisenschwamm erzeugt wird. Die zur Reduktion notwendige
Wärme und der Kohlenstoff kann hierbei durch Kohle, Erdöl oder Erdgas
bereitgestellt werden. Eisenschwamm wird anschließend im LD- Konverter
als Austauschstoff für Schrott oder meist im Elektroofen oder auch im
Siemens- Martin- Ofen zu Stahl verarbeitet.
Beim Windfrischen wird Luft mit einem Druck von 2
bis 2,5bar von unten in einen birnenförmigen Behälter (Konverter), der
mit flüssigem Roheisen gefüllt ist. Der Birnenprozeß selbst benötigt
keinen Brennstoff, da die Eisenbegleiter bei deren Verbrennung beim
Übergang vom Roheisen zum Stahl zusammen mit der durchgeblasenen Luft
so viel Schmelzwärme erzeugen, daß dieser im flüssigen Zustand
(Flußstahl) gewonnen wird.
nbsp;
Das Thomas- und das Bessemer- Verfahren sind prinzipiell und äußerlich
gleich. Während der Entkohlung, die bereits nach 15 bis 20 min
abgeschlossen ist, verbrennen die Eisenbegleiter nahezu vollkommen.
Sie gehen in die Schlackendecke über. Kohlenstoff verbrennt zu
Kohlenmonoxid, das mit leuchtender Flamme aus dem Konverterhals
entweicht.
nbsp;
Vor dem Abgießen (Abb.3), was durch Kippen der Birne geschieht, wird
noch durch Aufgabe entsprechender Zusätze (Ferromangan, Ferrosilizium,
Spiegeleisen) der Sauerstoff aus dem entstandenen Eisen-II-oxid
entfernt und zugleich der gewünschte Kohlenstoff- und Mangangehalt
eingestellt.
nbsp;
Da bei diesem Desoxidieren immer noch ein Rest an Eisen-II-oxid übrig
bleibt, das beim Vergießen mit dem Kohlenstoff des Stahls Gasblasen
bildet, wird ein solcher Stahl "unruhig" vergossen bezeichnet.
Um "ruhig" vergossenen Stahl zu erzeugen, wird der noch im Eisen
vorhandene Sauerstoff durch Zugabe von Aluminium in der Pfanne
gebunden. Der Unterschied zwischen den beiden Konvertern ist in der
Anpassung an die Roheisensorte zu suchen.
nbsp;
Die Bessemerbirne verarbeitet phosphor- und schwefelarmes Roheisen
(<0,05%p, <0,05%s und 3,5 bis 4% c) (lange & kotte 1961). Sie hat
ein Futter aus Quarz mit geringem Tonzusatz. Die stark Mangan- und Eisenhaltige
Schlacke des Bessemerverfahrens wird wieder im Hochofen verwendet.
nbsp;
Die Thomasbirne, die überwiegend in Deutschland angewendet wurde,
verarbeitet hingegen phosphorreiches Roheisen. Ihre innere Auskleidung
besteht aus basischen Stoffen (gesinterter Dolomit, Kalkstein mit
Teerzusatz). Durch Zuschläge von gebranntem Kalk zum Flüssigen Roheisen
bilden sich Phosphorpentoxid und die bekannte Thomasschlacke. Sie
liefert im gemahlenen Zustand das Thomasmehl, Kalziumtetraphosphat
(Ca4P2O9) - ein wertvolles Düngemittel.
Die beiden Windfrischverfahren spielen heute in der Stahlherstellung
keine Rolle mehr, da effizientere und schnellere Verfahren entwickelt
wurden.
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