Stahlherstellung

Nun zu dem zweiten Teil meiner Serie über Eisenverhüttung. Gusseisen wie es aus dem Hochofen kommt, weist einen recht hohen Kohlenstoffanteil auf, dazu kommen andere Verunreinigungen wie Mangan, Silizium und Phosphor. Diese Begleitelemente machen Gusseisen für eine Reihe von Anwendungen unbrauchbar. So wird es schon lange vor seinem Schmelzpunkt weich (weises Roheisen), ist hart oder spröde (grauen Roheisen). Es ist weder elastisch, noch thermisch hoch anspruchbar. Teilweise versuchte man durch kombinieren von weisen und grauem Roheisen in dünnen Schichten und zusammenschmieden, um diese Nachteile zu vermeiden. Der heutige Weg ist es aber den unerwünschten Kohlenstoff aus dem Material zu entfernen.

Es gibt eine Reihe von Verfahren. Ich will nur die Grundzüge der wichtigsten beiden Verfahren hier beschreiben. Als Stahl bezeichnet man eine Legierung, die größtenteils aus Eisen besteht, wobei der Kohlenstoffgehalt unter 1,7% liegen sollte. Nach DIN-Norm müssen es unter 2,06% sein. Ab einem Gehallt von 1,7% ist der Stahl schmiedbar und schweißbar. Die Methode beruht darauf, dass die Verunreinigungen im Eisen noch heftiger mit Sauerstoff reagieren und man so durch Sauerstoffzufuhr sie verbrennen kann, bevor das Eisen selbst verbrennt, Zwei Verfahren haben sich eingebürgert: Beim ersten entfernt man den Kohlenstoff fast vollständig und fügt dann Roheisen mit bekanntem Kohlenstoffgehalt zu, um einen bestimmten Gehalt zu erreichen. Beim zweiten wird langsam der Gehalt bis zum Wunschgehalt abgesenkt.

Ein Verfahren des ersten Typs ist das "Windfrischverfahren". Das Roheisen kommt in große Behälter, die feuerfest ausgekleidet sind. Die Auskleidung orientiert sich nach den Verunreinigungen. Enthält das Eisen kein Phosphor, so kann Quarz oder andere hochschmelzende "sauer" reagierende Gesteine verwendet werden. Enthält das Roheisen Phosphor, so ist die Auskleidung "basisch" und besteht aus Calcium- und Magnesiumoxid, das mit dem Phosphor zu Calcium/Magnesiumphosphat reagiert. Das ist wichtig, weil Eisen unedler als Phosphor ist, also es dauernd den Phosphor regenerieren würde und dabei selbst verbrennen würde, wenn nicht das gebildete Phosphorpentoxid mit dem Calciumoxid / Magnesiumoxid reagieren würde. Dabei entsteht Thomasmehl, dass früher ein sehr wichtiger Dünger war.

Die Behälter ("Konverter") werden nur zu einem Siebtel gefüllt und dann wird entweder durch Düsen Druckluft, oder heute fast vorwiegend reiner Sauerstoff durch eine in der höhe verschiebbare Lanze hineingepresst. (etwa die Hälfte der Sauerstoffproduktion wird zur Stahlherstellung benötigt). Das 1.300 Grad heiße Metall bleibt dann alleine durch die Verbrennungswärme heiß:

Si + O2 → SiO2 + 912 kJ

2P + 2,5 O2 → P2O5 + 1493 kJ

C + O2 → CO2 + 394 kJ

Mn + 1/2 O2 → MnO + 385 kJ

 

Zuerst verbrennen Silizium und Mangan, dann erst der Kohlenstoff. Die Flamme wird dann blendend weis und der Lärm steigt zu Donner an. In basischen Gefäßen folgen dann Phosphor und Schwefel. In sauer ausgekleideten Gefäßen blieben sie im Eisen. Daneben verbrennt auch 10-12% des Eisens. Das ganze dauert nur eine Viertelstunde. Danach wird Eisen mit bekanntem Kohlenstoffgehalt zugegeben (Rückkohlung") und Ferromangan zu. Das Mangan reduziert das durch die Reaktion gebildete Eisenoxid wieder zu Eisen, dass sonst den Stahl brüchig machen würde.

Das zweite Verfahren, das Herdfrischverfahren, reduziert langsam den Gehalt an Fremdstoffen. Der Prozess ist daher beim gewünschten Kohlenstoffgehalt abbrechbar. Es wird kein flüssiges Roheisen eingesetzt sondern festes, über das eine 1.500°C heiße sauerstoffreiche Flamme streicht. Weiterer Sauerstoff wird zugebracht durch zu Zugabe von verrostetem Alteisen ("Schrott-Verfahren") oder sauerstoffreiche oxydische Erze ("Roheisen-Erzprozess"). Beim ersten Prozess kommen nur auf 20% Roheisen 80% Schrott, der dabei zu Eisen reduziert wird. Wegen dem höheren Sauerstoffgehalt des Erzes beträgt der Erzzuschlag dagegen nur 20%. In beiden Fällen wird Kalk zugesetzt um den Phosphor zu entfernen.

Es gibt noch einige andere Prozesse, so kann man auch den Eisengehalt reduzieren wenn man Roheisen in Eisenoxid packt und vier Tage bei 800-850°C erhitzt. Auch hier reduzieren die Verunreinigungen das Eisenoxid und nehmen den Sauerstoff auf.

Verwechselt mit dem chemischen Prozess der Kohlenstoffreduktion ist der Effekt des Schmidens. Stahl mit einem Kohlenstoffgehalt von 0,4 bis 1,7 % ist härtbarer Stahl. Er besteht aus einer Mischung von α-Eisen und Zementit. Erhitzt man ihn, so bildet sich die bei hohen Temperaturen stabile Mischung von γ-Eisen und Kohlenstoff. Wird diese schnell abgekühlt, so kann das Eisen noch in die α-Form übergehen, nicht mehr jedoch der Kohlenstoff. Dieser Stahl ist erheblich härter als der normale Stahl. Durch langsames Erhitzen kann jeder gewünschte Zwischenzustand erreicht werden.

Heute haben Stähle mit größeren Mengen an Fremdelementen eine wichtige Bedeutung. Kobalt ergibt sehr korrosionsfeste Legierungen, (Eingesetzt für Werkzeuge) Nickel steigert die Zugfestigkeit Härte und Korrosionsfestigkeit und wurde lange für Panzerplatten zugesetzt, Vanadium verbessert die Härte und Schmiedbarkeit und wird für Baustähle und Werkzeugstahl eingesetzt, Chrom ergibt durch seine dünne, vor weiterer Oxidation schützende Oxidschicht nichtrostende, hitzebeständige Stähle. Chromnickelstahl ist hart, zäh und nichtrostend (V2A Stahl mit 18% Chrom und 8% Nickel wird z.B. für Töpfe und Besteck eingesetzt, rostet nicht und ist der wichtigste produzierte Stahl). Zulegieren von Molybdän und Wolfram führt zu einem Stahl, der auch noch bei Rotglut hart ist und daher für Werkezuge eingesetzt wird die durch die Reibung sehr heiß werden wie z.B. Bohrmeisel.

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