Реферат на тему:

Vom Roheisen zum Stahl

Das im Hochofenprozess entstandene Roheisen ist als Werkstoff leider
kaum zu gebrauchen. Es enthaelt verschiedene Verunreinigungen. Diese
sind die Elemente Kohlenstoff, Mangan, Silizium, Phosphor, Schwefel
u.a., wobei Kohlenstoff mit 3-5% anteilsmaessig wesentlich mehr
enthalten ist als die anderen unerwuenschten Begleitelementen.
Kohlenstoff und die anderen Verunreinigungen bewirken, dass das Roheisen
sproede (bruechig) wird und sich schlecht schmieden (verformen) laesst,
aber auch, dass es schneller schmilzt als reines Eisen.

 

 

Weiterverarbeitung

 

Das fluessige Roheisen aus dem Hochofen wird je nach der Art, in der
Kohlenstoff in ihm gebunden ist, in graues und weisses Roheisen
unterteilt. Graues Roheisen wird nach dem Einschmelzen von Schrotteilen
in Formen gegossen und heisst dann Gusseisen. Gegenstaende aus Gusseisen
sind z.B. Kanaldeckel, Heizkoerper, Oefen, Rohre, Motorbloecke und
Maschinenteile. Gegenstaende aus Gusseisen sind aber sproede und nicht
sehr temperaturbestaendig. Ihr Vorteil ist, dass sie kaum rosten.
Weisses Roheisen hingegen wird zu Stahl weiterverarbeitet.

 

 

Stahl

 

Die Vorteile des Stahls liegen in seiner guten Verformbarkeit und seiner
Hitzebestaendigkeit. Stahl wird aus Roheisen hergestellt, in dem man den
Kohlenstoffgehalt unter etwa 1,7% senkt und die anderen verunreinigenden
Elemente weitgehend entfernt. Stahl wird aus diesem Grund auch
«veredeltes Eisen» genannt. Dem Stahl kann man noch Elemente beimengen,
so dass je nach Art und Menge der Elemente Stahllegierungen mit
speziellen Eigenschaften entstehen.

 

 

Verfahren zur Stahlherstellung

 

Der Vorgang, bei dem der Gehalt an Kohlenstoff und anderem Elementen im
Roheisen gesenkt wird, wird als Frischen bezeichnet, was nichts anderes
bedeutet, als dass die unerwuenschten Begleitelemente oxidiert werden.
Relativ unbedeutende Frischverfahren sind das Bessemer-Verfahren und das
Thomas-Verfahren, bei denen die Oxidation durch Luft vonstatten geht.

 

Technisch weit verbreitet ist aber das sogenannte LD-Verfahren. Seinen
Namen erhielt es nach den Oesterreichischen Stahlwerken in Linz und
Donawitz. Bei diesem Verfahren wird das fluessige Roheisen aus dem
Hochofen in einen grossen, schwenkbaren Behaelter gefuellt. Dieser
Behaelter heisst Konverter und fasst ungefaehr 300t fluessiges Roheisen.
Zusaetzlich wird noch Eisenschrott in ihn gegeben. Der Eisenschrott wird
zur Kuehlung des Konverters benoetigt. Denn die Reaktion, die zur
Umwandlung von Roheisen in Stahl fuehrt, ist exotherm, so dass die
Temperatur der Schmelze im Konverter trotz Zugabe von Metallschrott von
etwa 1250°C auf etwa 1600°C ansteigt.

 

Am Anfang der Reaktion steht eine wassergekuehlte Lanze, die in die
Schmelze des Konverters gehalten wird. Durch diese Lanze wird reiner
Sauerstoff mit einem Druck von etwa 10bar geblasen. Der Sauerstoff
oxidiert die Begleitelemente und die entstehenden gasfoermigen Oxide
(die Gase Kohlenmonoxid, Kohlendioxid und Schwefeldioxid) entweichen
durch die Konverteroeffnung in den Abgaskamin oder lagern sich an der
Oberflaeche der Schmelze ab (alle festen/fluessigen Oxide), wo sie
zusammen mit vorher zugegebenem Kalkstein die sogen. Schlacke bilden.
Nach etwa einer halben Stunde ist der Gehalt an Fremdelementen in der
Schmelze stark gesenkt. Die Schlacke und die Stahlschmelze werden
getrennt voneinander abgestochen, d.h. aus dem Konverter in einen
Transportkuebel gegossen. Dann folgt der Prozess der Rueckkopplung, bei
der man noch etwas kohlenstoffhaltiges Eisen hinzu gibt, um den
Kohlenstoffgehalt des Stahls zu regulieren, den dieser darf nicht zu
klein werden.

 

Das zweite wichtige Stahlherstellungsverfahren ist das
Elektrostahlverfahren. In einem Elektroofen wird das Roheisen auf
Temperaturen um 3000°C gebracht. Dies erreicht man durch anlegen einer
Spannung zwischen zwei Graphitelektroden, zwischen denen sich dann ein
sogenannter Lichtbogen bilden. Ausser dem Roheisen wird Schrott
zugegeben, dessen Sauerstoffanteil die Begleitelemente oxidiert. Dann
setzt man Legierungsmetalle in bestimmten Mengen direkt hinzu, so dass
eine Stahllegierung entsteht. Staehle, die im Elektroofen erzeugt
wurden, heissen Elektrostaehle und sind besonders hochwertig.

 

 

Stahlsorten

 

Bei den Stahlsorten lassen sich zwei grosse Gruppen unterscheiden, die
Kohlenstoffstaehle und die Edelstaehle. In beiden Faellen handelt es
sich um kohlenstoffhaltiges Eisen, aber Edelstaehle enthalten noch
zusaetzlich noch andere Metalle.

 

Kohlenstoffstaehle sind nichtlegierte Stahlsorten, die ueber 80% des
weltweit erzeugten Stahls ausmachen. Es gibt viele Kohlenstoffstaehle
mit unterschiedlichem Kohlenstoffgehalt. Staehle mit einem Gehalt von
weniger als 0,25% Kohlenstoff sind leicht verformbar und werden zur
Herstellung von Blechen, Konservendosen, Autokarosserien, Draehten und
Naegeln verwendet. Liegt der Kohlenstoffgehalt zwischen 0,25% und 0,7%
wird der Stahl haerter und laesst sich weniger leicht verformen. Daher
wird dieser Kohlenstoffstahl fuer Eisenbahnschienen, im Maschinenbau,
sowie im Stahlbau hauptsaechlich verwendet. Die hoechste
Kohlenstoffkonzentration im Stahl betraegt 0,7% bis 1,5% — der Stahl ist
somit sehr hart und kaum verformbar. Seine Verwendung findet Anwendung
in der Chirurgie (Chirurgische Instrumente), in der Werkzeugherstellung,
sowie als Rasierklingen und Stahlfedern.

 

 

Eigenschaften

 

Die grundlegenden mechanischen Eigenschaften aller Staehle sind die
Verformbarkeit und die Zugfestigkeit. Beide Eigenschaften haengen vom
Kohlenstoffgehalt des Stahles ab. Es ist aber unmoeglich, beide
Eigenschaften gleichzeitig in einer Stahlsorte zu optimieren.

 

Bei niedrigem Kohlenstoffgehalt sind die Staehle leicht verformbar und
haben eine geringe Zugfestigkeit.

 

Bei hohem Kohlenstoffgehalt aber herrschen eine hohe Zugfestigkeit und
eine schwere Verformbarkeit vor.

 

 

Unterschiede Zwischen Stahl und Gusseisen

Stahl Gusseisen

Kohlenstoffgehalt in %

0,5 bis 1,7 3,2 bis 3,6

Eigenschaften plastisch verformbar

zugfest

schmiedbar

schweissbar

Formgebung durch Giessen

geringe Bruch- und Schlagfestigkeit

hart aber sproede

Verwendung Maschinenteilherstellung

Federherstellung

Autoblechherstellung

Baustahlherstellung Herstellung von

Kanaldeckeln

Heizkoerpern

Oefen

Roehren

Motorbloecken

Maschinenteilen

Einige Legierungen

Name Zusammensetzung

Eigenschaften Verwendung

V2A-Stahl Fe, bis zu 18% Cr,

bis zu 14 % Ni

korossionsfest saeurebestaendig

sehr hart Werkzeuge, Fahrzeugbau

Invar-Stahl 65% Fe, ca. 35% Ni

geringe Waermeausdehnung Praezisions-messinstrumente

Messing 60-70% Cu, 30-40 Zn

korossionsbestaendig Maschinenbau

Armaturen

Glockenbronze 80% Cu, 20% Sn

sehr hart, stossfest Glockenguss

Dural Al, bis zu 5% Cu

(+ Mn, Mg, Si)

korossionsfest Flugzeug- und Fahrzeugbau

Neusilber 73-80% Cu, 15-20% Ni, bis zu 7% Zn

korossionsfest Bestecke, feinmechanische Geraete

Schnellarbeitsstaehle Fe, 4% Cr, 15% W, 2% V

bei Rotglut hart Werkzeuge

Oekologische Aspekte der Stahlherstellung

 

Vor dem Hintergrund von Klimaveraenderungen durch C02 -Emissionen bedarf
es in der Stahlindustrie, die wegen der Koksmetallurgie ein
Hauptverwerter fossiler Brennstoffe ist, einer staendigen Kontrolle
nicht nur der Prozesswirtschaftlichkeit, sondern auch der
Umweltvertraeglichkeit und des Energieverbrauchs der eingesetzten
Technologien. Dies gilt fuer bestehende Anlagen ebenso wie fuer den
Aufbau neuer Kapazitaeten — und zwar global, da (teurer) Umweltschutz
nicht durch Standortverlagerung aufgrund laxerer Gesetzgebung in
Entwicklungslaendern umgangen werden darf.

 

Prinzipiell bieten sich zwei Ansaetze fuer Stahlerzeuger an: Optimierung
der Kreislaufwirtschaft und praeventive Abfallwirtschaft durch
produktionsintegrierten Umweltschutz.

 

Die Kreislaufwirtschaft des klassischen Integrierten Huettenwerkes, das
aus Erz und Koks Stahl ueber die klassische Route — Hochofen, Stahl- und
Walzwerk — erzeugt, wurde seit dem Beginn der Industrialisierung
staendig optimiert. Die bedeutendsten Meilensteine der Nachkriegszeit
sind die Entwicklung des Sauerstoff Aufblas-Verfahrens («LD-Verfahrens»)
zur Stahlerzeugung und die Einfuehrung des Stranggiessverfahrens.
Letzteres loeste den Blockguss ab und ermoeglichte eine Einsparung von
weltweit etwa 100 Millionen t Eigenschrott. Trotzdem steigt das
Schrottangebot, aber ein Integriertes Huettenwerk kann da nur begrenzt
nachkommen, da im Sauerstoff Aufblas-Verfahren nur etwa ein Viertel der
Rohstahlmenge durch Schrott bereitgestellt werden kann. Im
Elektrostahlwerk koennen hingegen bis 100 Prozent Schrott verarbeitet
werden. Obwohl diese Art der Stahlerzeugung nur etwa halb so viel
Energie wie das LD-Stahlwerk benoetigt, exportiert die rohstoffarme
Bundesrepublik Deutschland jaehrlich rund 8 Millionen t Stahlschrott.

 

Der Export des Rohstoffes «Schrott» soll in Zukunft zu Gunsten einer
umweltorientierten Kreislaufwirtschaft reduziert werden. Die (noch)
geringen Elektrostahlkapazitaeten in Deutschland werden derzeit durch
Neubauten in Unterwellenborn, Peine und Georgsmarienhuette erweitert.

 

Durch konsequente Stoffflussoptimierung und Restwaermeausnutzung ist die
Stahlerzeugung auf Erzbasis im Integrierten Huettenwerk bezueglich ihrer
Schadstoffbelastung fuer Boden, Luft und Wasser nicht mehr wesentlich zu
verbessern. Der Energieverbrauch bei der Stahlherstellung wird
hauptsaechlich durch das mehrmalige Wiedererwaermen auf dem Weg von
Kokerei bis Warmwalzwerk bestimmt.

 

Dem Produktionsintegrierten Umweltschutz kann durch intelligente
Anwendung und innovative Erzeugung von Stahl nachgekommen werden.
Beispielsweise birgt die Entwicklung hochfester

 

Stahlsorten mit Hilfe moderner Staehle und Konstruktionsmethoden ein
erhebliches Energieeinsparungspotential bei der Verwendung als
Karosseriewerkstoff. Durch eine optimierte thermomechanische Behandlung
lassen sich bereits im Herstellungsprozess, bei der Verarbeitung und
Nutzung sowie durch die bestens eingefuehrte Wiederverwertung
bilanzielle Vorteile von Stahl als Karosseriewerkstoff ableiten.

 

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