Der Stahlherstellungsprozess erklärt: Vom Eisenerz zur Legierung

Einführung in Herstellung und Eigenschaften von Stahllegierungen

Laut World Steel Association wurden 2019 1.869,9 Millionen Tonnen Stahl produziert. Das ist ein Anstieg von 3,4 % gegenüber 2018 und mehr als doppelt so viel wie 1999. Die Welt hat einen stetig wachsenden Stahlbedarf. Er wird in Bauwesen, Industrie und Fertigung genutzt. Da er sowohl stark als auch günstig ist, eignet er sich ideal für alle Fertigungsarten.

Woraus besteht Stahl?

Eisen, das Hauptelement von Stahl, ist eines der häufigsten Elemente in der Erdkruste. Alle Stahllegierungen bestehen hauptsächlich aus Eisen und 0,002–2,1 % Kohlenstoff nach Gewicht. In diesem Bereich bindet Kohlenstoff mit Eisen zu einer starken Molekularstruktur. Das resultierende Gitter-Mikrostruktur verleiht Materialeigenschaften wie Zugfestigkeit und Härte, auf die wir bei Stahl vertrauen.

Obwohl jeder Stahl aus Eisen und Kohlenstoff besteht, enthalten verschiedene Stahlsorten unterschiedliche Anteile jedes Elements. Stahl kann auch andere Elemente wie Nickel, Molybdän, Mangan, Titan, Bor, Kobalt oder Vanadium enthalten. Unterschiedliche Elemente im „Rezept“ einer Stahllegierung beeinflussen ihre Materialeigenschaften. Herstellungsverfahren und Behandlung des Stahls verstärken diese Fähigkeiten weiter.

Eine bemerkenswerte Gruppe von Stahllegierungen enthält Chrom. Alle solchen Legierungen sind allgemein als Edelstahl bekannt.

Wie man Stahl herstellt

Am grundlegendsten wird Stahl durch Mischen von Kohlenstoff und Eisen bei sehr hohen Temperaturen (über 1.425 °C / 2.600 °F) hergestellt.

Primärstahlerzeugung (Primary Steelmaking) schafft Stahl aus einem Produkt namens „Roheisen“ (Pig Iron). Roheisen ist verhüttetes Eisen aus Erz, das mehr Kohlenstoff enthält als für Stahl richtig ist.

Der Stahlerzeuger nutzt ein System, das Sauerstoff durch schmelzendes Roheisen bläst. Dieser Prozess erzeugt gleichmäßige Oxidation im gesamten flüssigen Metall. Oxidation entfernt überschüssigen Kohlenstoff. Sie verdampft oder bindet auch Verunreinigungen aus Elementen wie Silicium, Phosphor und Mangan.

Sekundärstahlerzeugung (Secondary Steelmaking) erfolgt „in der Pfanne“ (in the ladle). Es ist ein Prozess zur Raffination und Legierung von Stahl. Sekundärstahlerzeugung kann mit Schrottschmelzen beginnen oder einen primären Prozess fortsetzen. Elemente können zugefügt werden, um eine spezifische Legierung zu erhalten. Der Stahlarbeiter kann auch Oberflächenverunreinigungen entfernen (Entschlacken/De-slagging). Die Pfanne wird auf die für die nötigen chemischen Prozesse erforderlichen Temperaturen erhitzt und gekühlt.

Stahlveredelung (Finishing)

In der Gießerei wird Stahl im Sand- oder Feinguss in gemusterte Formen gegossen. Im Stahlwerk wird Stahl durch Stranggießer in Rohbaustoffe gegossen. Stranggießer erzeugen standardisierte Rohstahlformen statt naheinfertiger Teile. Rohstahl wird dann zerspant oder umgeformt zu Endprodukten. Stahlwerke gießen und formen üblicherweise Bleche, Brammen, Stäbe, Blöcke, Rohre, Blöcke (ingots) und Drähte.

Eine Walzerei kann Stahl auch warm- oder kaltwalzen während der Produktion. Diese Prozesse erzeugen unterschiedliche Formen und Oberflächen. Vor dem Versand kann Stahl geschnitten, gespult oder gebündelt werden.

In Gießerei oder Walzwerk kann Stahl wärmebehandelt werden. Endschritte wie Abschrecken, Anlassen, Normalisieren und Glühen formen das Legierungsverhalten in der Anwendung.

Erfindung des Stahls

Archäologen fanden frühesten Stahl an Stätten aus 4.000 Jahren vor heute in der Türkei. Tiegelstähle wie der berühmte südindische Wootz-Stahl wurden bereits ab dem 4. Jahrhundert v. Chr. konsistent hergestellt. Bis zur Mitte des 19. Jahrhunderts war Stahlherstellung jedoch extrem herausfordernd.

Stahl schmilzt bei ca. 1.480 °C (2.700 °F). Diese Hitze aufrechtzuerhalten, war eine Herausforderung für antike Öfen bei Tiegelstahl. Zudem finden sich Verunreinigungen in Stahllegierungen aus Elementen wie Silicium und Mangan. Diese zu managen, bleibt eine Herausforderung. In der antiken Stahlherstellung führten sie zu langwierigen, mehrstufigen Prozessen. Gießer verbrachten lange Tage mit Erhitzen, Rühren, Entschlacken und Wiedererhitzen ihrer Legierungen. Nach dem Guss ging der Stahl an Schmiede zur Weiterbearbeitung. Das Hämmern auf dem Amboß formte Endformen. Es half auch, Kohlenstoffschwankungen, Poren oder Einschlüsse zu verteilen und zu mildern.

1856 patentierte Henry Bessemer ein Verfahren, Stahl neu herzustellen. Mit einem Bessemer-Konverter statt traditioneller Schmelzgefäße konnte der Stahlerzeuger Luft durch das flüssige Metall blasen. Als Reaktion auf die Luft oxidierten Verunreinigungen und entgasten. Oxidation half auch, die für Stahlherstellung nötige hohe Hitze zu erzeugen und aufrechtzuerhalten.

Ein Prozess, der einst einen ganzen Tag in der Gießerei und mehr Zeit in der Schmiede brauchte, wurde durch einen 20-minütigen Prozess ersetzt, der 5 Tonnen Stahl erzeugen konnte. Bessemers Stahl war auch stärker und höherwertig als das, worauf die meisten Stahlerzeuger hoffen konnten. Diese Innovation stützte 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“ (Lodestones) entdeckt – Steine aus Magnetit, einem Eisenoxid. Andere Elemente sind auch ferromagnetisch, wie Kobalt und Nickel. Diese finden sich manchmal in Stahl.

Edelstähle sind berühmt für Nichtmagnetismus, obwohl alle Eisen und viele Nickel enthalten. Tatsächlich sind nur einige Edelstahllegierungen nicht magnetisch. Austenitischer Edelstahl – der Nickel enthält – ist in den meisten Fällen nicht magnetisch (kann aber bei Kaltverformung schwach magnetisch werden). Andere Typen wie ferritische oder martensitische Legierungen sind edel und magnetisch.

Eigenschaften von Stahl

Stahl wird so häufig genutzt wegen seiner spezifischen Materialeigenschaften bei relativ niedrigem Preis. Verglichen mit vielen anderen Bau- und Werkzeugmaterialien (Holz, Stein, Beton, Gusseisen) bieten Stahllegierungen:

• Härte: Widerstand gegen Eindrücken bei allmählich steigendem Druck
• Zähigkeit: Wenn das Material sich verformt, beschreibt Zähigkeit, wie weit es geht vor Bruch
• Streckgrenze (Yield Strength): Widerstand gegen Formänderung beim Ziehen mit allmählich steigendem Druck
• Zugfestigkeit (Tensile Strength): Fähigkeit, Zugbelastung vor Bruch zu widerstehen
• Umformbarkeit (Malleability): Fähigkeit, durch Hämmern oder Pressen ohne Bruch geformt zu werden
• Duktilität: Fähigkeit, ohne Zähigkeitsverlust geformt zu werden – Metallbearbeitung macht oft spröder, aber duktile Materialien embritteln durch Bearbeitung nicht so schnell.

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

Stahlsorten

Es gibt vier Hauptgruppen von Stahllegierungen: Kohlenstoff-, Werkzeug-, Legierungs- und Edelstähle.

• Kohlenstoffstahl (Carbon Steel) – Mild-, Mittel- und Hochkohlenstoffstähle variieren meist nach Härte und Duktilität. Mild- oder niedrigkohlenstoffhaltige Stähle sind duktiler als andere Stähle, bieten aber geringere Härte. Am anderen Ende: Hochkohlenstoffstähle sind härter. Allerdings haben sie meist geringere Duktilität.
• Werkzeugstahl (Tool Steel) – Hochkohlenstoffstahl mit Zusätzen wie Wolfram, Vanadium, Molybdän, wärmebehandelt und abgeschreckt zu überlegener Härte, für Werkzeugstähle genutzt.
• Legierter Stahl (Alloy Steel) – Diese Stahlfamilie bezieht sich allgemein auf Stähle, die mit spezifischen Elementen für außergewöhnliche Materialeigenschaften legiert sind, außerhalb derer, die in anderen Familien üblich sind. Alle Stähle sind Legierungen und viele haben Zusatzelemente. Legierte Stähle sind jedoch ungewöhnliche Stähle, gebaut für eine spezifische Anwendung, von Wertformulierungen bis zu exotischen Legierungen für Strahltriebwerke.
• Edelstahl (Stainless Steel) – Diese Stähle sind mit Chrom legiert, um durch Passivierung rostbeständig zu sein.

Stahlproduktion: Eine Geschichte des Recyclings

Eines der besten Merkmale von Stahl (und anderen Metallen) ist, dass Schrott zu komplett neuem, hochwertigem Metall werden kann. Der Sekundärstahlerzeugungsprozess schafft Legierungen, die so gut sind wie jene aus Roheisen. Metallgegenstände können durch Nutzung degradieren, aber die elementare Chemie von Metall bedeutet, dass Schmelzen und Legieren ein komplett neues Produkt schafft.

Wachstum der Stahlproduktion erfordert daher kein entsprechendes Wachstum der Neuerzverhüttung (obwohl Roheisenproduktion ein vitaler Teil der Stahlversorgungskette bleibt). Rückgewinnung und Verarbeitung von Stahlschrott bedeutet, dass gestern Autoblech morgen I-Träger sein kann.

Mit 98 % recycelbarem Stahl ist das Metall eines der weltweit recycelbarsten Produkte. Dennoch nicht ohne Umweltausforderungen. Koks, eine Kohleform, wird meist als Kohlenstoffinput für Stahlherstellung genutzt. Zudem erzeugen die hohe Energie zum Schmelzen/Verhütten und Oxidation sowie andere Produktionsprozesse Chemikalien und CO₂. Glücklicherweise gibt es viel Forschung im Stahlsektor, um Produktionsprobleme zu mildern. Manche beinhalten CO₂-Rückführung in den Stahl selbst als Kohlenstoffquelle, was Bedarf an anderen Quellen wie Koks senkt.

Mit diesen Technologien verfeinert und implementiert, wird Stahlherstellung eine der wichtigsten Industrien der Zukunft bleiben. Sie trägt, treibt an und baut unsere Wirtschaft.