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Stahl, der Bodybuilder unter den Werkstoffen



Stahl begegnet uns überall

Eine fortschrittliche Zivilisation wäre ohne Stahl nicht denkbar. Er gehört neben Holz zu den vielseitigsten Konstruktionswerkstoffen und ist nahezu unbegrenzt verwertbar. Stahl begegnet uns, schon fast unbemerkt und selbstverständlich, in allen Lebensbereichen. Versteckt sich in Betongüssen als Baustahlmatten, als Verbindungselemente in Form von Schrauben zwischen unseren Alltagsgegenständen, als Scharniere in unseren Möbeln und Schränken. Stahl bietet in Trägerkonstruktionen Wolkenkratzern und Brücken sicheren und festen Stand. Als Autokarosserie erliegt so manch einer seinen wohlgeformten Kurven, ähnlich dem Anblick schöner Frauen. Flugzeug- und Schiffsbau wären ohne Stahl undenkbar.
Die Handwerks- und Schmiedekunst für diesen Werkstoff ist nicht weniger vielfältig als seine Einsatzgebiete. Von Zäunen, Türen und Tore, reichen sie bis zu den Zierelementen für dieselben. Kunstvoll geschmiedete Schwerter und Messer zählen mit dem richtigen Schliff zu den schärfsten Klingen der Welt. Die Liste für die Verwendung und den Gebrauch von Stahl ist lang – sehr lang.



Beleuchtetes Stahlwerk mit Schornsteine und Rauch bei Nacht.




Der Herstellungsprozess von Stahl

Eisenerz im Gestein.

Zur Stahlherstellung benötigt man zum Eisenerz, Koks und Zuschlagstoffe wie Kalk. Dem aufbereiteten Roheisen werden sogenannte Legierungsstoffe oder Legierungselemente hinzugefügt, z.B. Chrom oder Nickel. Legierungsstoffe verleihen dem Stahl unterschiedliche Eigenschaften, wie Zugfestigkeit, Korrosionsbeständigkeit oder beeinflussen seine Härte.


Die dabei entstehende Mischung nennt man Legierung. Von Stahl spricht man grundsätzlich bei allen Eisenwerkstoffen mit einem Kohlenstoffgehalt von weniger als 2%, die ohne nachbehandelt werden zu müssen schmiedbar sind. Beispiel für eine Legierung ist rostfreier Edelstahl, mit eine auf etwa 20 % Chrom basierende Eisenlegierung. Je nach Anteil weiterer Legierungsstoffe wird noch zusätzlich zwischen legiertem und unlegiertem Stahl unterschieden.



Hochofen mit Förderband für das Eisenerz.

Der Hochofen

Das Eisenerz wird, bevor es in den Hochofen gelangt, zu sogenannten Sinterkuchen gebacken, aus Eisenerzpulver zusammengebackene Eisenbrocken. Dadurch wird eine gute Zirkulation der Gase im Hochofen gewährleistet. In der Kokerei backt die Kohle bis zu 20 Stunden lang, in einem luftdichtverschlossenen Ofen zu Koks.
Das gesinterte Erz wird dann mit Zuschlagstoffen zu Möller vermischt und kommt mit dem Koks zusammen in den Hochofen. Durch Erhitzen des Koks entsteht nicht nur die nötige Wärme, sondern auch Kohlenmonoxid, was das Eisenoxid reduziert. Das Roheisen trennt sich bei einer Hitze von ca. 1500 Grad vom Erz, Schlacke entsteht. Damit Schlacke und Roheisen aus dem Hochofen abfließen können, wird als Abstich eine Öffnung gebohrt. Die Zuschlagstoffe unterstützen den Trennungsprozess von Schlacke und Roheisen. Die Schlacke wird aufgefangen, abgekühlt und granuliert. Für die Herstellung von Zement ist Hochofenschlacke ein wertvoller Rohstoff.
Das Roheisen selbst hat aber noch zu viele Begleitstoffe wie Silizium, Phosphor oder Schwefel. Ein hoher Kohlenstoffanteil macht das Roheisen zudem spröde, und es kann in diesem Zustand noch nicht weiterverarbeitet werden. Die Begleitstoffe müssen noch in einem weiteren Verfahren, dem Frischen, mit Hilfe von Sauerstoff verringert werden.

Kessel mit heißem flüssigem Roheisen im Stahlwerk, beim LD-Verfahren.

Linz und Donawitz Verfahren

Das am weitverbreitetste Verfahren ist das Sauerstoffblasverfahren, auch LD-Verfahren genannt. LD steht für das in den 1950er Jahren entwickelte Verfahren von den österreichischen Stahlwerken in Linz und Donawitz. Das flüssige Roheisen aus dem Hochofen wird in einem großen schwenkbaren Behälter gefüllt, dem Konverter. Ein Konverter kann bis zu 300 t flüssiges Roheisen fassen. Zur Kühlung des Konverters wird dem flüssigen Roheisen noch Eisenschrott beigegeben. Die gewünschte Reaktion, die vom Roheisen zu Stahl führt, geschieht unter Freiwerden von Wärme. Man spricht hier auch von einer exothermen Reaktion. Die Temperatur der Schmelze steigt von ca. 1250 °C auf ca. 1600 °C.
Mit einer wassergekühlten Lanze wird mit einem Druck von etwa 10 bar reiner Sauerstoff in die Schmelze geblasen. Das führt zur Oxidation der Begleitelemente, und die dabei entstehenden Oxide (Kohlenmonoxid, Schwefeldioxid und Kohlendioxid) lagern sich mit dem Zuschlagstoff in Form von Schlacke an der Oberfläche ab, oder entweichen gasförmig aus dem Konverter in den Abgaskamin. Schlacke und Stahlschmelze werden dann getrennt voneinander abgestochen und in entsprechende Transportkübel gegossen.

Elektrostahlverfahren

Ein anderes in der Stahlproduktion etabliertes und wichtige Verfahren ist das Elektrostahlverfahren. Das bereits im Jahre 1904 von Paul-Louis Heroult entwickelt wurde. In einem speziellen Elektro-Ofen wird mit Hilfe von zwei Graphit-Elektroden eine elektrische Spannung angelegt und ein Lichtbogen erzeugt, der das Roheisen auf 3000 °C erhitzt. Auch hier wird Schrott hinzugegeben, dessen Sauerstoffanteil die Begleitelemente oxidieren lässt. Hier setzt man direkt gewünschte Legierungsmetalle für die Stahllegierung in bestimmten Mengen hinzu.
Die Unabhängigkeit von Koks bei diesem Verfahren und, dass auch auf den Gebrauch von Roheisen selbst verzichtet werden kann, ist ein Vorteil für dieses Verfahren. Ein Nachteil allerdings ist der sehr hohe Energieverbrauch. Für die Herstellung von Qualitätsstahlen ist das Elektrostahlverfahren besonders gut geeignet.

Animation – Vom Erz zum Stahl

Der Unterschied ist das entscheidende

In Deutschland werden mittlerweile über 2000 unterschiedliche Stahlsorten produziert. Dabei wird der Stahl in drei Klassen noch DIN EN 10020 gegliedert

  • unlegierte Stähle (Kohlenstoffstähle)
  • nichtrostende Stähle
  • andere legierte Stähle

und zwischen fünf Haupt-Stahlprodukten unterschieden.

  • Schmiedestücke
  • Bleche
  • Profile
  • Rohre
  • Draht

Kohlenstoffstähle machen über 80% des weltweit erzeugten Stahls aus. Mit einem Gehalt von weniger als 0,25% Kohlenstoff ist der Stahl leicht verformbar und wird unter anderem für die Herstellung von Blechen, Konservendosen oder Autokarosserien verwendet.

Ein Kohlenstoffgehalt zwischen 0,25 und 0,7% härtet den Stahl und macht ihn weniger verformbar. Dieser Kohlenstoffstahl eignet sich für Eisenbahnschienen, im Maschinen- oder Stahlbau.

Sehr harter und kaum verformbarer Stahl wird in der Chirurgie, Werkzeugherstellung, Rasierklingen oder Stahlfedern verwendet und misst die höchste Kohlenstoffkonzentration zwischen 0,7 – 1,5%.





Feines Uhrwerk aus Stahlzahnräder und Stahlfeder.

Stahl ist ein besonderer Werkstoff

Stahl ist nicht einfach nur ein gleichbleibendes Produkt, dessen Qualität nach bestimmten Kriterien bemessen wird. Es können Eigenschaften des Stahls für seinen jeweiligen Einsatzbereich hervorgehoben, während andere Eigenschaften unterdrückt werden. Sei es die Graduierung des Härtegrades, Verformbarkeit und Elastizität oder seine magnetischen Eigenschaften. Dies macht diesen Konstruktionswerkstoff besonders.

Rostiger Schiffsrumpf aus Stahl, auf Küste aufliegend.

Stahl gehört höchstwahrscheinlich zu den ältesten widerverwerteten Werkstoffen. Er wurde bereits gesammelt, aufbereitet und wiederverwertet, als es den Begriff Recycling, wie wir ihn unserem heutigen Sprachgebrauch verwenden, noch nicht gab. Stahl ist ohne jeden Qualitätsverlust zu 100% wiederverwertbar. Dies ist nicht nur aus ökologischer Sicht sinnvoll. Der Recyclingkreislauf des Stahls ist für eine jährliche Produktion von rund einer Milliarde Tonne Rohstahl weltweit verantwortlich.

Quellenangaben

Ruhrgebiet-Regionalkunde Stahlherstellung

Ruhrgebiet-Regionalkunde Stahlsorten und Legierungen

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