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Stahlherstellung - Referat
STAHLHERSTELLUNG- FRÜHER UND HEUTE
von Jörg Büchner
Allgemeines & Begriffe
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.
Historisches
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.
Allgemeines zur 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.
Roheisenherstellung
Roheisen wird aus Eisenerzen gewonnen, die zunächst vorbehandelt werden müssen, um Verunreinigungen durch "taubes Gestein" zu beseitigen. Hierzu werden folgende Verfahren angewendet:
Magnetscheiden - magnetische Trennung der Erze vom tauben Gestein
Rösten - Austreiben von Feuchtigkeit, Schwefel und Kohlendioxid durch Erhitzen
Sintern - Zusammenbacken feinkörniger Erze mit Kalk als Bindemittel in Brikettform
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.
Das Frischverfahren
1. Windfrischen: Bessemer- und Thomasverfahren
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
Dieses Referat wurde eingesandt vom User: Matthias
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