Eisen: Eigenschaften, Geschichte und alltägliche Anwendungen

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Hintergrund

Eisen ist eines der häufigsten Elemente auf der Erde. Fast jede menschliche Konstruktion enthält mindestens etwas Eisen. Es ist auch eines der ältesten Metalle und wurde vor mindestens 3.500 Jahren zu nützlichen und ornamentalen Gegenständen verarbeitet.

Reines Eisen ist ein weiches, grauweißes Metall. Obwohl Eisen ein häufiges Element ist, kommt reines Eisen in der Natur fast nie vor. Das einzige natürlich vorkommende reine Eisen stammt von gefallenen Meteoriten. Die meisten Eisen finden sich in Mineralien, die durch die Verbindung von Eisen mit anderen Elementen entstanden sind. Eisenoxide sind die häufigsten.jene Mineralien an der Erdoberfläche mit dem höchsten Eisengehalt werden als Eisenerze bezeichnet und kommerziell abgebaut.

Eisenerz wird durch verschiedene Prozesse in verschiedene Eisenarten umgewandelt. Der häufigste Prozess ist der Hochofen, um Roheisen herzustellen, das etwa 92–94 % Eisen und 3–5 % Kohlenstoff mit geringeren Mengen anderer Elemente enthält. Roheisen hat nur begrenzte Verwendungszwecke, und der größte Teil geht in ein Stahlwerk, wo er durch weitere Reduzierung des Kohlenstoffgehalts und Zugabe anderer Elemente wie Mangan und Nickel zu verschiedenen Stahllegierungen umgewandelt wird, um dem Stahl spezifische Eigenschaften zu verleihen.

Geschichte

Historiker glauben, dass die Ägypter die ersten waren, die vor fünf- bis sechstausend Jahren mit kleinen Mengen Eisen arbeiteten. Das verwendete Metall wurde offenbar aus Meteoriten gewonnen. Beweise für den ersten Eisenerzabbau und -verhüttung deuten auf die antike Hethiter-Kultur im heutigen Türkei hin. Da Eisen ein weit überlegenes Material für Waffen und Werkzeuge war als jedes andere bekannte Metall, war seine Herstellung ein streng gehütetes Geheimnis. Doch die Grundtechnik war einfach, und die Nutzung von Eisen breitete sich allmählich aus. So nützlich es im Vergleich zu anderen Materialien war, hatte Eisen Nachteile. Die Qualität der daraus hergestellten Werkzeuge war stark schwankend, abhängig von der Region, aus der das Eisenerz stammte, und der Extraktionsmethode. Die chemischen Veränderungen während der Extraktion waren nicht verstanden; insbesondere die Bedeutung von Kohlenstoff für die Härte des Metalls. Praktiken variierten weltweit stark. Es gibt Belege, dass die Chinesen sehr früh Eisen schmelzen und gießen konnten, und dass Japaner erstaunliche Ergebnisse mit Stahl in kleinen Mengen erzielten, wie Erbstückschwerter aus vergangenen Jahrhunderten belegen. Ähnliche Durchbrüche gab es im Nahen Osten und in Indien, doch die Verfahren drangen nicht in die übrige Welt vor. Jahrelang fehlten Europäern Methoden, Eisen auf den Schmelzpunkt zu erhitzen. Um Eisen zu gewinnen, brannten sie Eisenerz langsam mit Holz in einem lehmgeführten Ofen. Das Eisen trennte sich vom umgebenden Gestein, schmolz aber nie ganz. Stattdessen bildete es eine krustige Schlacke, die durch Hämmern entfernt wurde. Dieses wiederholte Erhitzen und Hämmern mischte Sauerstoff mit dem Eisenoxid zu Eisen und entfernte den Kohlenstoff aus dem Metall. Das Resultat war nahezu reines Eisen, leicht mit Hämmern und Zangen formbar, aber zu weich, um eine gute Schneide zu halten und zu behalten. Da das Metall durch Hämmern geformt (gewrought) wurde, nannte man es Schmiedeeisen (Wrought Iron).

Werkzeuge und Waffen, die aus dem Osten nach Europa zurückgebracht wurden, bestanden aus Eisen, das geschmolzen und in Form gegossen worden war. Durch den höheren Kohlenstoffgehalt ist Gusseisen (Cast Iron) härter als Schmiedeeisen und hält eine Schneide. Es ist jedoch auch spröder. Europäische Eisenhüttenleute wussten, dass die Östler besseres Eisen hatten, kannten aber nicht die Verfahren zur Herstellung stärkerer Eisenprodukte. Ganze Nationen starteten Bemühungen, den Prozess zu entdecken.

Der erste bekannte europäische Durchbruch in der Gusseisenherstellung, der schnell zum ersten praktischen Stahl führte, gelang erst 1740. In diesem Jahr patentierte Benjamin Huntsman das Schmelzen von Material zur Herstellung von Stahlfedern für die Uhrmacherei. Über die nächsten 20 Jahre wurde das Verfahren breiter angewendet. Huntsman nutzte einen Hochofen, um Schmiedeeisen in einem Ton-Tiegel zu schmelzen. Er fügte dann sorgfältig abgemessene Mengen reiner Holzkohle zum geschmolzenen Metall hinzu. Die resultierende Legierung war sowohl stark als auch flexibel, wenn sie zu Federn gegossen wurde. Da Huntsman ursprünglich nur bessere Uhren bauen wollte, führte sein Tiegelstahl direkt zur Entwicklung von nautischen Chronometern, die wiederum die globale Navigation ermöglichten, indem sie Seeleuten die präzise Bestimmung ihrer Ost-West-Position erlaubten. Dass er dabei auch die moderne Metallurgie erfunden hatte, war ein Nebeneffekt, den er offenbar nicht bemerkte.

Rohstoffe

Die Rohstoffe zur Roheisenherstellung im Hochofen sind Eisenerz, Koks, Sinter und Kalkstein. Eisenerze sind hauptsächlich Eisenoxide und umfassen Magnetit, Hämatit, Limonit und viele andere Gesteine. Der Eisengehalt dieser Erze reicht von 70 % bis zu 20 % oder weniger. Koks ist ein Stoff, der durch Erhitzen von Kohle entsteht, bis er fast reiner Kohlenstoff ist. Sinter besteht aus minderwertigem, fein zerteiltem Eisenerz, das mit Koks und Kalk geröstet wird, um einen großen Teil der Verunreinigungen im Erz zu entfernen. Kalkstein kommt natürlich vor und ist eine Calciumcarbonat-Quelle.

Andere Metalle werden manchmal mit Eisen bei der Herstellung verschiedener Stahlformen gemischt, wie Chrom, Nickel, Mangan, Molybdän und Wolfram.

Der Erzabbau- und Raffinationsprozess

Bevor Eisenerz im Hochofen verwendet werden kann, muss es aus dem Boden gewonnen und teilweise raffiniert werden, um die meisten Verunreinigungen zu entfernen.

Auf seinen langen Zangen lehnend, posierte dieser junge Eisen-Puddler-Helfer für dieses Foto in den frühen 1860er Jahren, als die Sons of Vulcan eine junge Gewerkschaft war. (Aus den Sammlungen des Henry Ford Museum & Greenfield Village.)

Historisch wurde Eisen durch das Heißblasverfahren oder später den Anthrazitofen hergestellt. In jedem Fall bestand die grundlegende Tätigkeit der Eisenherstellung darin, dass ein Arbeiter kleine Mengen Roheisen und Schlacke rührte, bis sich das Eisen von der Schlacke trennte. Dies wurde „Puddeln“ genannt, war hochqualifizierte Arbeit, aber auch heiß, anstrengend und gefährlich. Es erforderte viel Erfahrung und eine robuste Konstitution. Puddler waren stolz, unabhängig und gut bezahlt.

Puddler gründeten 1858 in Pittsburgh die erste Gewerkschaft der Eisen- und Stahlindustrie, die Sons of Vulcan. 1876 fusionierte diese Gewerkschaft mit drei anderen Arbeiterorganisationen zur Amalgamated Association of Iron and Steel Workers. Dies war die Gewerkschaft, die Andrew Carnegie im Homestead Strike von 1892 besiegte, was die Gewerkschaft in Trümmer legte und die Industrie im Wesentlichen bis in die 1930er Jahre unorganisiert ließ.

William S. Pretzer

Gewinnung (Extraktion)

• 1 Ein großer Teil des weltweiten Eisenerzes wird im Tagebau gewonnen, bei dem die Reines Eisen ist ein weiches, grauweißes Metall. Obwohl Eisen ein häufiges Element ist, kommt reines Eisen in der Natur fast nie vor. Mineralien an der Erdoberfläche mit dem höchsten Eisengehalt werden als Eisenerze bezeichnet und kommerziell abgebaut. Erdoberfläche durch schwere Maschinen, oft über sehr große Flächen, entfernt wird, um das darunter liegende Erz freizulegen. In Fällen, wo die Entfernung der Oberfläche nicht wirtschaftlich ist, werden Schächte in die Erde getrieben, mit seitlichen Stollen, um der Erzschicht zu folgen.

Raffination

• 2 Das geförderte Erz wird zerkleinert und sortiert. Die besten Erze enthalten über 60 % Eisen. Geringere Qualitäten werden behandelt oder raffiniert, um verschiedene Verunreinigungen zu entfernen, bevor das Erz zum Hochofen geschickt wird. Diese Raffinationsmethoden werden gemeinsam als Benefizierung (Beneficiation) bezeichnet und umfassen weiteres Zerkleinern, Waschen mit Wasser, um Sand und Ton wegzuschwemmen, magnetische Separation, Pelletieren und Sintern. Da mehr von der weltbekannten hochwertigen Eisenerzversorgung erschöpft ist, werden diese Raffinationstechniken zunehmend wichtiger.
• 3 Das raffinierte Erz wird dann auf Züge oder Schiffe verladen und zum Hochofenstandort transportiert.

Der Fertigungsprozess

Beschicken des Hochofens

• 1 Nach der Aufbereitung wird das Erz mit anderem Erz gemischt und in den Hochofen gegeben. Ein Hochofen ist ein turmförmiges Bauwerk aus Stahl, ausgekleidet mit feuerfesten, hitzebeständigen Ziegeln. Das Gemisch der Rohstoffe, die Mischung, gelangt an der Spitze des Hochofens ein. Am Boden des Ofens wird sehr heiße Luft durch Düsen, sogenannte Tuyères, eingeblasen. Der Koks verbrennt in Gegenwart der heißen Luft. Der Sauerstoff in der Luft reagiert mit dem Kohlenstoff im Koks zu Kohlenmonoxid. Das Kohlenmonoxid reagiert dann mit dem Eisenerz zu Kohlendioxid und reinem Eisen.

Trennen des Eisens von der Schlacke

• 2 Das geschmolzene Eisen sinkt auf den Ofenboden. Der Kalkstein verbindet sich mit dem Gestein und anderen Verunreinigungen im Erz zu einer Schlacke, die leichter als das Eisen ist und oben schwimmt. Wenn das Volumen der Mischung abnimmt, wird kontinuierlich mehr an der Ofenspitze nachgelegt. Eisen und Schlacke werden separat am Ofenboden abgezogen. Das geschmolzene Eisen kann zu einem weiteren Legierungsprozess gehen oder in Barren (Pigs) gegossen werden. Die Schlacke wird zur Entsorgung abtransportiert.

Behandlung der Gase

• 3 Die bei den chemischen Reaktionen entstehenden heißen Gase werden an der Spitze abgezogen und in eine Gasreinigungsanlage geleitet, wo sie gereinigt (gewaschen) und zurück in den Ofen geführt werden; das verbleibende Kohlenmonoxid ist besonders nützlich für die chemischen Reaktionen im Ofen.

  Ein Hochofen läuft normalerweise Tag und Nacht über mehrere Jahre. Schließlich beginnt die Ziegelauskleidung zu bröckeln, und der Ofen wird dann zur Wartung abgeschaltet.

Qualitätskontrolle

Der Hochofenbetrieb ist stark instrumentiert und wird kontinuierlich überwacht. Zeiten und Temperaturen werden geprüft und aufgezeichnet. Der chemische Gehalt der Erze aus verschiedenen Gruben wird kontrolliert, und das Erz wird mit anderem Eisenerz gemischt, um die gewünschte Mischung zu erreichen. Proben werden von jedem Abstich genommen und auf chemischen Gehalt und mechanische Eigenschaften wie Festigkeit und Härte geprüft.

Nebenprodukte/Abfälle

Die Eisenindustrie hat viele mögliche Umweltauswirkungen. Die offensichtlichste ist der Tagebau. Riesige Landstriche werden auf blanken Fels abgetragen. Heute werden ausgebeutete Abbaustellen häufig als Deponien genutzt, dann abgedeckt und rekultiviert. Einige dieser Deponien werden selbst zu Umweltproblemen, da in der jüngeren Vergangenheit einige zur Entsorgung hochgiftiger Substanzen genutzt wurden, die in Boden und Wasser auslaugen.

Der Prozess der Eisengewinnung aus Erz erzeugt große Mengen giftiger und ätzender Gase. In der Praxis werden diese Gase gewaschen und recycelt. Unweigerlich entweichen jedoch kleine Mengen giftiger Gase in die Atmosphäre.

Ein Nebenprodukt der Eisenreinigung ist Schlacke, die in riesigen Mengen anfällt. Dieses Material ist weitgehend inert, muss aber dennoch auf Deponien entsorgt werden.

Eisenherstellung verbraucht riesige Mengen Kohle. Die Kohle wird nicht direkt verwendet, sondern erst zu Koks reduziert, der fast aus reinem Kohlenstoff besteht. Die vielen chemischen Nebenprodukte des Kokereiprozesses sind fast alle giftig, aber auch kommerziell nützlich. Dazu gehören Ammoniak, das in unzähligen Produkten verwendet wird; Phenol, für Kunststoffe, Schneidöle und Antiseptika; Kresole, für Herbizide, Pestizide, Pharmazeutika und Fotochemikalien; und Toluol, Bestandteil vieler komplexer chemischer Produkte wie Lösungsmittel und Explosivstoffe.

Schrotteisen und -stahl – in Form alter Autos, Geräte und sogar ganzer stahlgestützter Gebäude – sind ebenfalls ein Umweltanliegen. Der größte Teil wird jedoch recycelt, da Stahlschrott eine essenzielle Ressource in der Stahlherstellung ist. Nicht recycelter Schrott verwandelt sich schließlich in Eisenoxid, also Rost, und kehrt in den Boden zurück.

Zukunftsaussichten

An der Oberfläche erscheint die Zukunft der Eisenproduktion – besonders in den USA – problematisch. Vorräte an hochwertigem Erz sind in wirtschaftlich abbaubaren Gebieten stark erschöpft. Viele langjährige Stahlwerke haben geschlossen.

Diese Erscheinungen trügen jedoch. Neue Erz-Anreicherungstechniken haben die Nutzung niedriggradiger Erze attraktiver gemacht, und davon gibt es riesige Vorräte. Viele Stahlwerke schlossen in den letzten Jahrzehnten, aber vor allem, weil weniger benötigt werden. Die Effizienz der Hochöfen allein hat sich bemerkenswert verbessert. Zu Beginn dieses Jahrhunderts produzierte der größte Hochofen in den USA 644 Tonnen Roheisen pro Tag. Man geht davon aus, dass bald die mögliche Produktion eines einzelnen Ofens 4.000 Tonnen pro Tag erreichen wird. Da viele dieser moderneren Anlagen im Ausland gebaut wurden, ist es in manchen Fällen tatsächlich wirtschaftlicher, Stahl über den Ozean zu verschiffen, als ihn in älteren US-Werken herzustellen.