Eisen und Stahl. Gewinnung, Produktion und Nachbehandlung

Inhaltsverzeichnis

1 Bedeutung von Eisen und Stahl in der Vergangenheit

2 Eisen und Stahl
2.1 Eisen
2.1.1 Natürliche Eisenvorkommen auf der Erde
2.1.2 Natürliche Formen und Verbindungen von Eisen
2.1.3 Gewinnung von Roheisen im Hochofen
2.1.4 Produkte des Hochofenprozesses
2.2 Stahl
2.2.1 Herstellung von Stahl aus Roheisen
2.2.2 Stahlherstellungsverfahren
2.2.3 Nachbehandlung des Rohstahles
2.2.4 Wichtige Stahlsorten und ihre Anwendungsbereiche

3 Ausblick in die Zukunft

4 Literatur- und Quellenverzeichnis

1 Bedeutung von Eisen und Stahl in der Vergangenheit

Damals wie heute ist Eisen für die wirtschaftliche Lage und die globale Positionierung eines Landes von großer Bedeutung.

Der Siegeszug des Eisens begann mit der Entdeckung des Eisens vor etwa 5000 Jahren im alten Ägypten, wo eisenhaltiges Meteoritengestein verarbeitet und zu Waffen und Gebrauchsgegenständen geschmiedet wurde. In Europa begann der Siegeszug des Stahls erst um 800 v.Chr., als die Kelten in Oberösterreich ein großes Eisenerzvorkommen entdeckten und begannen, dieses Eisenerz durch Erhitzen formbar und somit nutzbar zu machen. Diese Ära wird deshalb allgemein als Eisenzeit bezeichnet. Die Stahlherstellung war damals allerdings sehr mühsam, da die Temperaturen, unter denen die Kelten das Eisenerz in sogenannten Rennöfen verarbeiteten, gerade ausreichten, um eine teigähnliche Masse zu erzeugen, die dann mit Hammer und Amboss geformt werden musste.

Erst im 14. Jahrhundert änderte sich diese Situation grundlegend mit der Erfindung der Hochöfen. In ihnen erzielte man zum ersten Mal Temperaturen, die hoch genug waren, um das Eisen zu gießen. Diese frühen Hochöfen hatten allerdings einen sehr geringen Wirkungsgrad und man benötigte circa vier Tonnen Holzkohle um eine Tonne Roheisen zu erhalten.

In der Mitte des 19. Jahrhunderts entdeckte die Rüstungsindustrie den Stahl für sich. Aber erst die Erfindung des Bessemer- oder Thomas- Verfahrens ließ den Stahl zur Massenware und somit industriell nutzbar werden. Im Zeichen der Industrialisierung basierten diese Verfahren nicht mehr auf menschlicher Arbeitskraft, sondern auf Maschinen, was die Stahlherstellung deutlich erleichterte. Auch das neue Siemens-Martin- Verfahren trug zum Boom der Stahlindustrie bei und ließ diese zu einem treibendem Faktor der Wirtschaft anwachsen.

Mit dem Beginn des ersten Weltkrieges 1914 wurde die Stahlindustrie vor allem in Deutschland weiter gefördert, da immer mehr Kriegsmaschinerie benötigt wurde. Trotz der Niederlage war Deutschland 1929 der zweitgrößte Stahlproduzent der Welt hinter den USA. Nach dem Ende des zweiten Weltkrieges lag die Stahlindustrie in Deutschland aufgrund zerstörter Produktionsstätten am Boden.

Doch schon in den 50er Jahren expandierte die deutsche Stahlindustrie wieder und wurde zum Zeichen des Wiederaufbaus im kriegszerrütteten Deutschland. Es wurden immer bessere und produktivere Stahlherstellungsverfahren entwickelt, um die weltweit steigenden Nachfrage befriedigen zu können.

Erst die Stahlkrise von 1973, bei der der Stahlpreis durch eine Überproduktion ins Bodenlose fiel, beendete das Wachstum der Stahlindustrie, wovon diese sich bis heute noch nicht gänzlich erholt hat (vgl. Maier-Bode, S. (2009): Stahl - Harter Werkstoff, hartes Geschäft).

Doch wird Eisen und Stahl auch in der Zukunft noch diese bedeutende Rolle in der Weltwirtschaft spielen oder ist ein Bedeutungsverlust absehbar? Um diese Frage beantworten zu können, muss man zunächst einmal Eisen und Stahl genauer betrachten, um zu verstehen, was sie so einzigartig und unabdingbar macht.

2 Eisen und Stahl

2.1 Eisen

2.1.1 Natürliche Eisenvorkommen auf der Erde

Die Erdkruste besteht zu etwa 6,2% aus Eisen. Somit ist Eisen das vierthäufigste Element und das zweithäufigste Metall nach Aluminium in der Erdkruste (vgl. Riedel, E. (2004): Anorganische Chemie, 6. Auflage, o.O.S. 816).Aber nicht nur auf der Erde ist Eisen häufig vorzufinden, sondern auch im Weltall. Der Kern des Mondes zum Beispiel besteht überwiegend aus Eisen. Die größten zur Roheisengewinnung momentan genutzten Eisenerzvorkommen auf der Erde befinden sich in China, Brasilien, Australien und Indien. Diese vier Länder bauen etwa 83% der Weltförderung von Eisenerzen ab (vgl. United States Survey (2009): Bodenschätze- Eisen). Das mit 17 Milliarden Tonnen größte Eisenerzvorkommen befindet sich unter dem Amazonasurwald in Brasilien. Es wird im Tagebau abgebaut und trägt somit zur starken Abholzung des Regenwaldes beträchtlich bei.

2.1.2 Natürliche Formen und Verbindungen von Eisen

Das Element Eisen kommt nur chemisch gebunden in sogenannten Eisenerzen vor, hauptsächlich in Verbindung mit Sauerstoff, Schwefel oder Kohlenstoff. Die natürlich am zahlreichsten auftretenden und somit wichtigsten Eisenerze sind:

- Magneteisenstein/Magnetit (Fe3O4)
- Roteisenstein/Hämatit (Fe2O3)
- Brauneisenstein/Limonit (Fe2O3 × (n×H2O)).

In gelöster Form kommen am häufigsten Fe(OH)2 und Fe(OH)3 in Gewässern und Meeren vor. Diese Verbindungen besitzen allerdings nur eine sehr geringe Löslichkeit. Oft liegt Eisen auch in Form kleiner Bläschen oder Einschlüsse in anderen Gesteinen vor. Diese Form wird allgemein als gediegen bezeichnet. Ob eisenhaltige Verbindungen einen roten, gelben oder braunen Farbton annehmen, hängt von dem Hämatit- und Limonitgehalt ab (vgl. Holleman, A./Wiberg, E. (1995): Lehrbuch der Anorganischen Chemie; S.1504f.). Insgesamt sind heute circa 1420 natürliche Eisenverbindungen bekannt.

2.1.3 Gewinnung von Roheisen im Hochofen

Eisenerze können nicht direkt verarbeitet werden, da sie durch andere Elemente verunreinigt sind. Diese Verbindungselemente oder Einschlüsse stellen die sogenannte Gangart dar und müssen entfernt werden, da sie die Qualität des Roheisens und somit auch des Stahles herabsetzen. Unter Roheisen versteht man gereinigtes Eisen mit einem Kohlenstoffgehalt zwischen 4 und 5%. Dies geschieht während der Roheisengewinnung im Hochofen oder alternativ in elektrischen Öfen. Ein Hochofen ist circa 30 Meter hoch und hat einen Durchmesser zwischen 10 und 14 Metern. Er wird abwechselnd mit einer Schicht Koks, einem starken Brennstoff mit einem Kohlenstoffgehalt über 98%, und einer Schicht Eisenerz beschickt. Diese Beschickung erfolgt über den „Schacht“ durch einen Schrägaufzug (vgl. Holleman/Wiberg (1995) S.1506f.). Den Eisenerzen werden für den Hochofenprozess verschiedene Zuschläge untergemischt, die während des Prozesses mit der Gangart Calciumaluminiumsilicate bilden. Die entstehenden Calciumaluminiumsilicate werden auch als Schlacke bezeichnet und besitzen einen sehr niedrigen Schmelzpunkt. Besteht die Gangart aus calciumoxid-haltigen Verbindungen, muss den Eisenerzen ein Zuschlag aus aluminiumoxid- und siliziumoxidhaltigen Elementen beigemischt werden und anders herum, um die schädliche Gangart aus dem Roheisen zu entfernen. Aluminiumoxid- und siliziumoxidhaltige Verbindungen können zum Beispiel Feldspat oder Schichtsilicate sein. Zur Herstellung einer Tonne Roheisen benötigt man ungefähr 2 Tonnen Eisenerz, 1 Tonne Koks, eine ½ Tonne Zuschläge zur Bildung der Schlacke und etwa 5 ½ Tonnen Gebläseluft (vgl. Holleman/Wiberg (1995) S.1508). Der Hochofenprozess beginnt damit, dass Luft durch einen sogenannten „Winderhitzer“ auf eine Temperatur von etwa 1000-1300°C erhitzt und von unten in die „Rast“ geblasen wird. Dort verbrennt das Koks stark exotherm zu Kohlenstoffdioxid.

[...]