Vom Schmiedeeisen zum hochveredelten Stahl

Inhaltsverzeichnis

I Einleitung

II Die historische Entwicklung der Eisenherstellung
2.1 Das Rennverfahren
2.2 Die Entwicklung vom Stückofen zum Massenofen
2.3 Der Weg zum heutigen Hochofen

III Vom Roheisen zum Edelstahl
3.1 Das Frischfeuerverfahren
3.2 Eisen als Baustoff durch das Puddelverfahren
3.3 Endlich Eisen in großen Mengen: das Windfrischverfahren
3.4 Schrott kann verarbeitet werden: das Siemens-Martin- Verfahren
3.5 Das Frischen mit Sauerstoff
3.6 Die Erzeugung von Spezialstählen: die Elektrostahlverfahren

IV Vom Eisenerz zum Fertigprodukt
4.1 Vom Abbau bis zum Hochofen
4.2 Aus Roheisen wird Edelstahl
4.3 Die Verarbeitung zum Endprodukt

V Anwendungsgebiete in der Bautechnik
5.1 Erste Anwendungsgebiete
5.2 Der Brückenbau
5.3 Der Stahlhochbau
5.4 Sonstige Anwendungsgebiete
5.5 Tendenzen der Entwicklung

VI Fazit und Ausblick

VII Literaturverzeichnis

I Einleitung

„Stahl- und Stahlverbundkonstruktionen ermöglichen durch funktionale und ästhetische Konstruktionen maßgeschneiderte und wirtschaftliche Lösungen, die sich den Ansprüchen jeder Bauaufgabe individuell anpassen. Vielfältige, weitere technische und anwendungsbezogene Vorteile heben die Stahlbauweise aus gesamtwirtschaftlicher Sicht unter den anderen Bauweisen hervor.“¹

Noch vor 200 Jahren dominierten Stein und Holz die Bautechnik. Mit dem Beginn der Industrialisierung wurde der Bedarf an dem neuen Baustoff jedoch immer größer. Anfangs genügten noch gusseiserne Träger für Brücken oder Dachkonstruktionen, doch als die Projekte immer anspruchsvoller, und die zu überwindenden Hürden immer schwieriger wurden, benötigte man einen Baustoff mit noch besseren Eigenschaften als das Gusseisen. Durch neue Erfindungen und Verfahren konnte der Stahl in der Mitte des 19. Jahrhunderts endgültig seinen Siegeszug in der Bautechnik antreten heute ist er daraus nicht mehr wegzudenken.

In dieser Arbeit soll zunächst auf die historische Entwicklung der Eisenherstellung eingegangen werden, angefangen von den Hethitern bis zum heutigen modernen Hochofen. Anschließend wird die Entwicklung der Stahlerzeugung beschrieben, auch hier in der historischen Reihenfolge der Erfindung verschiedener Verfahren. Im vierten Teil der Arbeit soll der Ablauf einer heutigen Stahlproduktion erläutert werden, vom Grubenerz bis zur Endbearbeitung des Produkts. Letztendlich wird auf die Anwendung des Baustoffes in der Bautechnik eingegangen, angefangen beim Brückenbau, über den Stahlhochbau bis zum Industriebau und den sonstigen Anwendungsgebieten. Die Arbeit soll also die historische Entwicklung, sowie die Anwendung des Baustoffes Stahl beschreiben.

II Die historische Entwicklung der Eisenherstellung

2.1 Das Rennverfahren

Eisen war schon in der Frühgeschichte bekannt und sehr begehrt. Zum wahrscheinlich ersten Mal wird es in Gesetzestexten des Königs Hamurabi von Babylon um 1750 v. Chr. genannt. Sicher ist, dass das Hethiterreich das älteste und bedeutendste Eisenland war. Dort kannte man das Geheimnis der Eisenherstellung schon 1500 v. Chr. Mit Waffen aus Stahl überfielen die Hethiter 1595 vor unserer Zeitrechnung Babylon, 300 Jahre später wehrten sie die angreifenden Truppen der Ägypter ab. Um 1200 v. Chr. ging das Hethiterreich unter, das Geheimnis der Eisenherstellung blieb aber erhalten, ausgewanderte und deportierte Schmiede trugen es in alle Landesteile.^{2 3}

Die Eisenherstellung konnte sich entwickeln, weil im Hethiterreich ⁴ alle Vorraussetzungen zusammenfielen. Zum einen gab es hochwertige Eisenerze⁵, zum anderen war der Bedarf an Stahl sehr groß, er wurde vor allem für Waffen und Werkzeuge benötigt. Eine weitere Voraussetzung für die Herstellung von Eisen bildeten die Klimaverhältnisse. Große Niederschlagsmengen von über 1200 mm pro Jahr waren nötig für einen kräftigen Baumwuchs, welcher Voraussetzung für die Herstellung von Holzkohle ist. Letztendlich war für die Verbreitung des Eisens auch eine günstige Lage an Passstrassen ausschlaggebend.⁶

Das von den Hethitern erzeugte Eisen wurde in sogenannten Rennöfen hergestellt.⁷ Die einfachste Form stellte das ca. 50 bis 60 cm in den Boden eingelassene Grubenfeuer dar, es hatte lediglich einen Durchmesser von 30 bis 40 cm. In dieser Grube wurden Holzkohle und Eisenerz abwechselnd geschichtet. Durch Blasebälge wurde das Feuer auf Temperaturen von bis zu 1200° C erhitzt, das Eisenerz konnte nach unten sinken und vermischte sich mit Schlacke und unverbrannten Holzkohleresten zur sogenannten Luppe. Diese musste anschließend durch Hämmern von den nichtmetallischen Fremdstoffen getrennt werden und wurde dann weiter verdichtet und ausgeschmiedet. Die so hergestellten Eisenbarren konnten zum Dorfschmied oder in den Handel weiter gegeben werden. Im Laufe der Zeit entwickelten sich die Öfen weiter. Anstatt in den Boden, baute man schließlich in die Höhe, und das Schachtrennfeuer, ein Vorläufer des heutigen Hochofen, entstand. Auch in diesem Ofen konnte kein flüssiges Eisen erzeugt werden, weil dafür Temperaturen von über 1500° C nötig sind und im Schachtrennfeuer nur 1400° C erreicht werden konnte.⁸

2.2 Die Entwicklung vom Stückofen zum Massenofen

Der Stückofen des Mittelalters war ein Schachtofen mit ca. 2 m Höhe. Erstmals wurde zur Herstellung des Eisens Wasserkraft eingesetzt. Um eine hohe und vor allem gleichbleibende Temperatur zu erzielen, wurden Blasebälge durch Wasserräder mit einem Durchmesser von bis zu 6 Metern angetrieben. In zehn Stunden konnten 4 Mann immerhin 100 bis 150 kg Eisen herstellen. In manchen Gegenden Europas wurden Öfen mit einer Höhe von bis zu 7 m errichtet in denen bis zu 1000 kg Eisen erzeugt werden konnte. Die Eisenerzeugung war allerdings trotzdem unbefriedigend, zum Beispiel weil die Luppe aus dem Ofen herausgebrochen werden musste, und dieser somit nach jedem Vorgang erneut aufgebaut wurde.

Im 16. Jahrhundert entwickelte sich der Massenofen, in dem erstmals so hohe Temperaturen erzeugt wurden, dass flüssiges Roheisen entstand. Dieses Roheisen wurde zu sogenannten Masseln⁹ verarbeitet, aus denen dann später Stahl gewonnen werden konnte.

2.3 Der Weg zum heutigen Hochofen

In England wurden im 17. Jahrhundert Hochöfen mit sogenannter „offener Brust“ gebaut. Aus diesen konnte man ständig Roheisen entnehmen, welches entweder zu Masseln verarbeitet, oder durch Direktguss in Formen gegossen wurde. Aufgrund des hohen Verbrauches an Holzkohle kam es in vielen Gegenden Europas zu einem Waldmangel, vor allem in unmittelbarer Umgebung der Hüttenanlagen. In England erfand man daher 1709 die Befeuerung des Ofens mit Koks, in Schlesien wurde dieses Verfahren erstmals 1789 verwendet.¹⁰

Damalige Hochöfen waren bis zu 13 Meter hoch und man konnte ca. 2 Tonnen Eisen pro Tag herstellen. Dagegen haben heutige Hochöfen allein einen Durchmesser von 14 Metern und können bis zu 110 Meter hoch werden und 10.000 Tonnen Roheisen pro Tag herstellen. Im wesentlichen besteht die Anlage aus drei Teilen, dem eigentlichen Hochofen, den Winderhitzern und aus dem Bunker. In den Winderhitzern wird eine Temperatur von 1100° bis 1300° C erzeugt. Dieser heiße Wind wi rd zur Steigerung der Schmelztemperatur in den Ofen eingeblasen. Über den Bunker erfolgt eine ständige Materialbeschickung mit Erz, Hochofenkoks und Zuschlägen. Ein Hochofen arbeitet heute acht bis zehn Jahre ohne Unterbrechung, erst dann müssen Mauerwerk und Auskleidung erneuert werden.¹¹

III Vom Roheisen zum Edelstahl

3.1 Das Frischfeuerverfahren

Das älteste Verfahren für die Erzeugung von Stahl ist das Frischfeuerverfahren. Unter Frischen versteht man die Entkohlung des geschmolzenen Roheisens. Dabei wird der hohe Kohlenstoffanteil des Roheisens von bis zu 4% verbrannt. Beim Frischfeuerverfahren tritt die Entkohlung durch Schmelzen von 2 bis 3 Roheisenmasseln zu je 15 kg ein. Wie früher in den Rennöfen entsteht auch hier eine zähe Luppe. Diese wird aus dem Schmelzofen gezogen und mit der Axt gespalten. Anschließend wird die Luppe unter einem mit Wasserkraft angetriebenen Schmiedehammer zu Stäben ausgestreckt Durch sofortiges Abschrecken in kaltem, fließendem Wasser wird der entstandene Stahl gehärtet. Dieses Verfahren war körperlich sehr anstrengend und forderte Geschick und viel Erfahrung vom Schmied.¹² Drei Mann konnten so in fünf Stunden etwa 50 kg Stahl herstellen. Obwohl das Verfahren langwierig und schwer war, wurden die letzten Frischfeuer in Deutschland erst 1870, in Schweder sogar erst 1950 stillgelegt.¹³

3.2 Eisen als Baustoff durch das Puddelverfahren

Mit Beginn der Industrialisierung stieg der Bedarf an Stahl so stark an, dass das Frischfeuerverfahren den Anforderungen nicht mehr genügte. Auch gingen die ohnehin knappen Vorräte an Holzkohle zur Neige.¹⁴ Der Engländer Henry Cort erfand einen Ofen, dessen Feuerung vom Herd abgetrennt war, 1787 kam in England ein solcher Ofen zum erstem Mal zum Einsatz, ab 1824 auch in Deutschland. In diesem sogenannten Puddelofen werden wie im Frischfeuer auch Roheisenmasseln eingeschmolzen, hier aber bis zu 250 kg. Durch die abgetrennte Feuerung entstehen oxidierend wirkende Flammengase. Dadurch, sowie durch ständiges Umrühren des Bades mit langen Stangen (dem „puddeln“), trat die Entkohlung ein. Durch diese Entkohlung des Roheisens steigt der Schmelzpunkt von 1200° auf 1525° C an. Da aber diese Temperatur im Puddelofen nicht erreicht werden kann, erstarrt der Stahl auch hier zu einer zähen Luppe. Diese wird geteilt, damit sie schließlich durch Schmieden und Walzen von Fremdstoffen getrennt werden kann. In einem Puddelofen konnten so innerhalb von 12 Stunden schon 1200 - 1600 kg Stahl hergestellt werden, mit einem Kohlenstoffanteil von 0,1 bis 1,2%. Durch die Erfindung des Puddelverfahrens konnte Eisen erstmals als Baustoff verwendet werden. Die Herstellung von gusseisernen Schienen förderte die Ausbreitung des Eisenbahnverkehrs, die erste gusseiserne Brücke, erbaut von Abraham Darby 1777 bis 1779 leistet ihren Dienst heute noch.¹⁵

3.3 Endlich Eisen in großen Mengen: das Windfrischverfahren

Im 19. Jahrhundert genügte jedoch auch das Puddelverfahren den Ansprüchen nicht mehr. Henry Bessemer erfand 1855 das nach ihm benannte Bessemerverfahren, auch Windfrischverfahren genannt. Dabei wird vorgeschmolzenes Roheisen in einen Konverter gefüllt, durch den anschließend von unten Luft eingeblasen wird. Die Entkohlung der Schmelze tritt bereits nach 15 Minuten ein, es entstehen Temperaturen von bis zu 1650°C. Dadurch entsteht flüssiger Stahl, welcher durch Kippen des Konverters abgegossen und der Weiterverarbeitung zugeführt werden kann. Die Auskleidung des Konverters bestand aus Ton, weshalb der schädliche Phosphor und Schwefel nicht entfernt werden konnte. Daher musste man auf phosphor- und schwefelarmes Roheisen zurückgreifen. Sidney Thomas veränderte die Auskleidung des Konverters indem er sie mit einem basischen Futter aus Dolomit auskleidete. Durch die Zugabe von Kalk konnte so doch der schädliche Phosphor entfernt werden.¹⁶ Mit dem Windfrischverfahren konnten erstmals Baustähle erschmolzen werden. Erste Anlagen wurden in England 1878 und in Deutschland 1879 gebaut. Um 1900 konnten ca. 20 Tonnen Stahl in 30 Minuten hergestellt werden, 1912 schon 80 Tonnen. Das Windfrischverfahren wird allerdings heute nicht mehr angewandt, es ist durch das Sauerstoffblasverfahren abgelöst worden.¹⁷

3.4 Schrott kann verarbeitet werden: das Siemens-Martin- Verfahren

Das Prinzip des Siemens- Martin- Verfahrens ist die abwechselnde Umsteuerung von Zuund Abluft, das sogenannte Regenerativsystem. Friedrich Siemens gelang es 1856 ein System zu entwickeln, mit dem die starke Hitze, welche im Ofen beim Schmelzprozess entsteht, ausgenutzt werden konnte. Die Verbrennungsluft wird durch die entstehende Abgaswärme vorgeheizt damit die erforderlichen Temperaturen erreicht werden können. Die Abgase werden dazu durch Kammern geleitet, welche mit einem Gitterwerk aus feuerfesten Steinen ausgekleidet sind. Dadurch erhitzt sich das Gitterwerk auf bis zu 1300°C. Anschließend wird Luft durch das heiße Gitterwerk geleitet. Diese erhitzt sich bis auf 1000°C und gelangt schließlich in den Herd.

Wilhelm Siemens entwickelte 1861 den Schrägrostgenerator. In diesem entsteht durch unvollständige Verbrennung und durch Zufuhr von Wasserstoff ein spezielles Generatorgas. Erst durch die Kombination von Regenerativsystem und Schrägrostgenerator wurden so hohe Temperaturen erreicht, dass Stahl schmelzen konnte.¹⁸ Dies gelang 1864 dem Franzosen Pierre Martin, die erste Anwendung des Verfahrens erfolgte 1869 in Deutschland bei Friedrich Krupp in Essen.

Die Beschickung des Ofens besteht aus Roheisen, Schrott und geringen Mengen Eisenerzen. Durch die letzteren beiden, sowie durch über die Schmelze streichende Generatorgase, entsteht der für den Oxidationsvorgang wichtige Sauerstoff. Der Vorteil gegenüber dem Windfrischverfahren war die Möglichkeit Schrott zu verarbeiten.

[...]

¹ diese Werbung für den Baustoff Stahl stammt vom Verein „Bauen mit Stahl e.V.“ (Quelle: http://www.bauen-mit-stahl.de/stahlanwendung.htm, 16.11.2002, 16.00 Uhr)

² das Rennverfahren wird als solches bezeichnet, weil die anfallende flüssige Schlacke von Zeit zu Zeit durch eine Rinne abfließen konnte bzw. abgezogen wurde

³ Roesch, Karl: 3500 Jahre Stahl. Geschichte der Stahlerzeugungsverfahren vom frühgeschichtlichen Rennfeuer der Hethiter bis zum Sauerstoffblasverfahren. München 1979, S. 3

⁴ das Hethiterreich befand sich beiderseits des Euphrats, in der heutigen Osttürkei mit ihren angrenzenden Ländern

⁵ als hochwertig bezeichnet man Eisenerze mit einem Masseanteil an Eisen von ca. 60%

⁶ Roesch, Karl: S. 13

⁷ solche Rennöfen werden in Teilen Afrikas heute noch für die Herstellung von Eisen verwendet

⁸ die Bezeichnung Stückofen ist auf das Produkt des Prozesses, ein Eisenklumpen („Stück“) zurückzuführen

⁹ als Masseln bezeichnete man Roheisenklumpen von 15 bis 20 kg Gewicht

¹⁰ Roesch, Karl: S. 31, andere Autoren hingegen nennen das Jahr 1735, so zum Beispiel Karl Otto Henseling (in: Henseling, Karl Otto: Bronze, Eisen, Stahl: Bedeutung der Metalle in der Geschichte. Hamburg 1981, S. 84)

¹¹ Liening, Bernard/ Quante, Uwe/ Wittke, Georg/ Thomas, Wolfgang: Lehrbuch der Chemie. Frankfurt am Main 1993, S. 24

¹² Erfahrene Schmiede konnten anhand der Schwierigkeit des Brechens sowie an der Korngröße der Bruchstellen den Kohlenstoffgehalt des Stahles abschätzen

¹³ Roesch, Karl: S. 35

¹⁴ Koks kann bei der Herstellung von Stahl nicht verwendet werden, da sonst der Stahl wieder aufkohlt und zusätzliche Fremdstoffe, z.B. Schwefel, aufnimmt.

¹⁵ Mislin, Miron: Geschichte der Baukonstruktion und Bautechnik. Von der Antike bis zur Neuzeit - eine Einführung. Düsseldorf 1988, S. 212

¹⁶ Der Phosphor konnte in der basischen Schlacke oxidiert und als Calciumphosphat abgebunden werden, weshalb die sogenannte Thomasschlacke in gutes Düngemittel ergab.

¹⁷ das Siemens- Martin- Verfahren wird auch Herdfrischverfahren genannt, nach dem Hauptbestandteil der Anlage: eine kippbare Wanne, dem Herd

¹⁸ Stahl kann erst bei etwa 1650°C geschmolzen werden