Wie wird Stahl hergestellt?

Eine Einführung in die Herstellung und Eigenschaften von Stahllegierungen

Laut der World Steel Association wurden im Jahr 2019 1869,9 Millionen Tonnen Stahl produziert. Dies entspricht einer Produktionssteigerung von 3,4 % gegenüber 2018 und ist mehr als doppelt so hoch wie die Produktion im Jahr 1999. Die Welt hat einen ständig wachsenden Bedarf an Stahl. Es wird im Bauwesen, in der Industrie und im verarbeitenden Gewerbe verwendet. Da es sowohl stark als auch kostengünstig ist, ist es ideal für alle Arten der Herstellung.

Woraus besteht Stahl?

Eisen, der wichtigste elementare Bestandteil von Stahl, ist eines der am häufigsten vorkommenden Elemente in der Erdkruste. Alle Stahllegierungen bestehen hauptsächlich aus Eisen und 0,002–2,1 Gew.-% Kohlenstoff. In diesem Bereich verbindet sich Kohlenstoff mit Eisen, um eine starke molekulare Struktur zu schaffen. Die resultierende Gittermikrostruktur trägt dazu bei, bestimmte Materialeigenschaften wie Zugfestigkeit und Härte zu erreichen, auf die wir uns bei Stahl verlassen.

Obwohl jeder Stahl aus Eisen und Kohlenstoff besteht, enthalten verschiedene Stahlsorten unterschiedliche Prozentsätze jedes Elements. Stahl kann auch andere Elemente wie Nickel, Molybdän, Mangan, Titan, Bor, Kobalt oder Vanadium enthalten. Das Hinzufügen verschiedener Elemente zum „Rezept“ einer Stahllegierung wirkt sich auf deren Materialeigenschaften aus. Das Verfahren zur Herstellung und Behandlung des Stahls verbessert diese Fähigkeiten weiter.

Eine bemerkenswerte Gruppe von Stahllegierungen enthält Chrom. Alle diese Legierungen sind allgemein als rostfreier Stahl bekannt.

Wie man Stahl macht

Im einfachsten Fall wird Stahl durch Mischen von Kohlenstoff und Eisen bei sehr hohen Temperaturen (über 2600 °F) hergestellt.

Primäre Stahlerzeugung stellt Stahl aus einem Produkt namens „Roheisen“ her. Roheisen ist geschmolzenes Eisen aus Erz, das mehr Kohlenstoff enthält, als für Stahl richtig ist.

Der Stahlhersteller verwendet ein System, das Sauerstoff durch schmelzendes Roheisen bläst. Dieser Prozess erzeugt eine gleichmäßige Oxidation im gesamten geschmolzenen Metall. Die Oxidation entfernt überschüssigen Kohlenstoff. Es verdampft oder bindet auch Verunreinigungen aus Elementen wie Silizium, Phosphor und Mangan.

Sekundäre Stahlerzeugung wird „in der Kelle“ gemacht. Es ist ein Prozess zum Raffinieren und Legieren von Stahl. Die sekundäre Stahlerzeugung kann mit dem Schmelzen von Schrott beginnen oder einen primären Prozess fortsetzen. Elemente können hinzugefügt werden, um eine bestimmte Legierung zu erhalten. Der Stahlbauer kann auch oberflächliche Verunreinigungen entfernen (Entschlackung). Die Pfanne wird auf die für die notwendigen chemischen Prozesse erforderlichen Temperaturen aufgeheizt und abgekühlt.

Endbearbeitung von Stahl

In einer Gießerei wird Stahl in gemusterte Formen sand- oder feingegossen. In einem Stahlwerk wird Stahl von einer Stranggießanlage zu Rohbaustoffen gegossen. Stranggießanlagen stellen statt nahezu fertiger Teile standardisierte Rohstahlformen her. Rohstahl wird bearbeitet oder zu Endprodukten verarbeitet. Stahlwerke gießen und formen üblicherweise Bleche, Knüppel, Stäbe, Vorblöcke, Rohre, Barren und Drähte.

Ein Walzwerk kann während der Produktion auch Stahl warmwalzen oder kaltwalzen. Diese Prozesse erzeugen unterschiedliche Formen und Oberflächen. Vor dem Versand kann der Stahl geschnitten, gespult oder gebündelt werden, bevor er das Werk verlässt.

In Gießereien oder Werken kann Stahl wärmebehandelt werden. Letzte Schritte wie Abschrecken, Anlassen, Normalisieren und Glühen können das Verhalten der Legierung in einer Anwendung beeinflussen.

Erfindung des Stahls

Archäologen haben den frühesten Stahl vor 4.000 Jahren in der Türkei gefunden. Tiegelstähle, wie der berühmte südindische Wootz-Stahl, wurden bereits im 4. Jh Jahrhundert v.Chr. Bis Mitte des 19. Jahrhunderts war die Stahlherstellung jedoch eine unglaubliche Herausforderung.

Stahl schmilzt um 2700°F. Die Aufrechterhaltung dieser hohen Hitze war eine Herausforderung für alte Öfen zur Herstellung von Tiegelstahl. Darüber hinaus finden sich Verunreinigungen in Stahllegierungen, die aus Elementen wie Silizium und Mangan bestehen. Diese zu managen, stellt nach wie vor eine Herausforderung dar. In der alten Stahlherstellung sorgten sie für einen langen, mehrstufigen Prozess. Gießer verbrachten einen langen Tag damit, ihre Legierungen zu erhitzen, zu rühren, zu entschlacken und erneut zu erhitzen. Nachdem der Stahl gegossen war, wurde er von Schmieden bearbeitet. Durch das Schlagen auf den Amboss entstanden endgültige Formen. Es half auch, Kohlenstoffvarianzen, Poren oder Einschlüsse zu verteilen und zu mindern.

1856 meldete Henry Bessemer ein Verfahren zur Herstellung von Stahl zum Patent an. Die Verwendung eines Bessemer-Konverters anstelle herkömmlicher Schmelzgefäße ermöglichte es dem Stahlhersteller, Luft durch das geschmolzene Metall zu sprudeln. Als Reaktion auf die Luft würden Verunreinigungen oxidieren und ausgasen. Die Oxidation trug auch dazu bei, die für die Stahlherstellung erforderliche hohe Hitze zu erzeugen und aufrechtzuerhalten.

Ein Prozess, der einmal einen ganzen Tag in der Gießerei und mehr Zeit in der Schmiede erforderte, wurde durch einen 20-minütigen Prozess ersetzt, der 5 Tonnen Stahl erzeugen konnte. Bessemers Stahl war auch stärker und von höherer Qualität, als die meisten Stahlhersteller hoffen konnten. Diese Innovation unterstützte die industrielle Revolution.

Ist Stahl magnetisch?

Die meisten Stähle sind magnetisch, aber nicht alle. Stahl besteht hauptsächlich aus Eisen, und Eisen ist magnetisch. Ferromagnetismus wurde erstmals in der Natur in „Magnetsteinen“ entdeckt – Steinen aus Magnetit, einem Eisenoxid. Andere Elemente sind ebenfalls ferromagnetisch, wie Kobalt und Nickel. Diese Elemente werden manchmal auch in Stahl gefunden.

Edelstähle sind bekanntermaßen nicht magnetisch, obwohl alle Edelstähle Eisen und viele Nickel enthalten. Ehrlich gesagt sind nur einige rostfreie Legierungen nicht magnetisch. Austenitischer rostfreier Stahl – der Nickel enthält – ist in den meisten Fällen nicht magnetisch (obwohl er beim Bearbeiten sehr leicht magnetisch werden kann). Andere Arten, wie ferritische oder martensitische Legierungen, sind rostfrei und magnetisch.

Eigenschaften von Stahl

Stahl wird aufgrund seiner spezifischen Materialeigenschaften in Kombination mit seinen relativ niedrigen Kosten so häufig verwendet. Im Vergleich zu vielen anderen Bau- und Werkzeugbaumaterialien (wie Holz, Stein, Beton oder Gusseisen) bieten Stahllegierungen:

• Härte :Widerstand gegen Eindruck beim Drücken mit allmählich zunehmendem Druck
• Zähigkeit :Wenn sich das Material verformt, beschreibt die Zähigkeit, wie weit es geht, bevor es bricht
• Streckgrenze :Widerstand gegen Formänderung beim Ziehen mit allmählich zunehmendem Druck
• Zugfestigkeit :die Fähigkeit eines Materials, Zug zu widerstehen, bevor es bricht
• Formbarkeit :die Fähigkeit, durch Hämmern oder Pressen geformt zu werden, ohne zu brechen
• Dehnbarkeit :Formbarkeit ohne Zähigkeitsverlust – durch die Bearbeitung von Metall wird es oft spröder, aber duktile Materialien verspröden durch die Bearbeitung nicht so schnell.

Der getestete Bereich dieser Eigenschaften variiert zwischen den Legierungen, aber insgesamt ist Stahl sowohl härter als auch zäher (weniger spröde) als viele andere Materialien.

Stahlarten

Es gibt vier Hauptgruppen von Stahllegierungen:Kohlenstoff-, Werkzeug-, legierte und rostfreie Stähle.

• Kohlenstoffstahl —Stähle mit weichem, mittlerem und hohem Kohlenstoffgehalt unterscheiden sich hauptsächlich durch Härte und Duktilität. Weich- oder kohlenstoffarme Stähle sind im Vergleich zu anderen Stählen tendenziell duktiler, bieten aber auch eine geringere Härte. Am anderen Ende des Spektrums sind Stähle mit hohem Kohlenstoffgehalt härter. Kohlenstoffstahl hat jedoch normalerweise eine geringere Duktilität.
• Werkzeugstahl —Stähle mit hohem Kohlenstoffgehalt mit hinzugefügten Elementen wie Wolfram, Vanadium oder Molybdän, wärmebehandelt und auf überlegene Härte abgeschreckt, werden für Werkzeugstähle verwendet.
• Legierter Stahl – Diese Stahlfamilie bezieht sich im Allgemeinen auf Stähle, die mit bestimmten Elementen für außergewöhnliche Materialeigenschaften gemischt sind, abgesehen von denen, die üblicherweise in andere Familien fallen. Alle Stähle sind Legierungen und viele haben zusätzliche Elemente. Legierte Stähle sind jedoch ungewöhnliche Stähle, die für eine bestimmte Anwendung hergestellt werden, und können von hochwertigen Formulierungen bis hin zu exotischen Legierungen reichen, die für Düsentriebwerke verwendet werden.
• Edelstahl —Diese Stähle sind mit Chrom legiert, um sie durch Passivierung rostbeständig zu machen.

Stahlproduktion:eine Geschichte des Recyclings

Eine der besten Eigenschaften von Stahl (und anderen Metallen) ist, dass aus Schrott völlig neues, hochwertiges Metall werden kann. Der Prozess der sekundären Stahlherstellung erzeugt Legierungen, die so gut sind wie alle, die aus Roheisen stammen. Metallgegenstände können sich durch Gebrauch verschlechtern, aber die elementare Chemie von Metall bedeutet, dass durch Schmelzen und Legieren ein völlig neues Produkt entsteht.

Das Wachstum der Stahlproduktion erfordert daher kein entsprechendes Wachstum beim Schmelzen von neuem Erz (obwohl die Roheisenproduktion ein wesentlicher Bestandteil der Stahlversorgungskette bleibt). Die Rückgewinnung und Verarbeitung von Stahlschrott bedeutet, dass das Autoblech von gestern der I-Träger von morgen sein kann.

Da 98 % des Stahls wiederverwertbar sind, ist das Metall eines der am besten recycelbaren Produkte der Welt. Dennoch ist es nicht ohne ökologische Herausforderung. Koks, eine Form von Kohle, wird normalerweise als Kohlenstoffquelle für die Stahlherstellung verwendet. Außerdem entstehen durch die hohe Energie, die zum Schmelzen oder Schmelzen und zur Oxidation und anderen Produktionsvorgängen erforderlich ist, Chemikalien und Kohlendioxid. Glücklicherweise wird im Stahlerzeugungssektor viel geforscht, um Probleme mit der Produktion zu mindern. Einige umfassen das Zurückführen von Kohlendioxid in den Stahl selbst als Kohlenstoffquelle, wodurch der Bedarf an anderen Quellen wie Koks gesenkt wird.

Mit diesen verfeinerten und implementierten Technologien wird die Stahlerzeugung weiterhin eine der wichtigsten Industrien der Zukunft sein. Sie stützt, treibt und baut unsere Wirtschaft auf.