Didaktik der Chemie / Universität Bayreuth

Stand: 13.04.16


Eisen: Stahl und Edelstahl,  Zusammensetzung und Herstellungsverfahren

Vortrag von Andrea Treske und Christian Sollmann im Rahmen der "Übungen im Vortragen mit Demonstrationen - Anorganische Chemie", WS 2002/3 und WS 08/09


Gliederung:


Mit dem Werkstoff Eisen hat die Menschheit schon lange praktische Erfahrungen. Schon die alten Ägypter wussten den Gebrauch von Eisen zu schätzen. Ein Beleg hierfür sind die frühesten Funde von eisernen Gebrauchsgegenständen aus dem 4. Jahrtausend v. Chr. Das Eisen wurde von den Ägyptern als ein Geschenk des Himmels verehrt, denn es wurde zuerst aus eisenhaltigen Meteoriten gewonnen. Erst mit dem Bau von Schachtöfen um 2000 v. Chr. gelang es dem Menschen aus Eisenerzen und Holzkohle das Eisen zu gewinnen.

In Mitteleuropa lassen sich mit Beginn des ersten vorchristlichen Jahrtausends die ersten Anzeichen einer Eisengewinnung zurückverfolgen. Aufgrund der hohen Metallvorkommen in Bayern und der Pfalz entstanden in den Siedlungen der Kelten sog. Rennöfen, mit denen hohe Schmelztemperaturen zur Gewinnung von Eisen aus Eisenerzen erreicht wurden. Die Kelten stellten in erster Linie aus Eisen Schmuckgegenstände her. Erst später verbesserte ihre Schmiedekunst das Eisen und es entstand ein neuer Werkstoff für Werkzeuge, Pflüge und Waffen.

Im Laufe der Jahrhunderte optimierte der Mensch die Eigenschaften von Eisenprodukten. Durch wichtige Verfahren in der Metallindustrie gelang es das unverzichtbare Eisen dem täglichen Gebrauch noch anpassungsfähiger zu machen. Aus Roheisen entstanden Stähle und Edelstähle.


1 Vom Eisenerz zum Roheisen

Die Gewinnung von Roheisen erfolgt durch Reaktion von oxidischen Eisenerzen in Hochöfen. Wichtige Eisenerze hierbei sind der Magneteisenstein (Magnetit, Fe3O4) und der Roteisenstein (Hämatit, Fe2O3).

Die Arbeitsweise eines Hochofens beginnt mit der Befüllung des Ofens von oben mit Eisenerz und Koks. Durch Einblasen von Heißluft verbrennt der Koks im unteren Teil des Hochofens mit dem Luftsauerstoff zu Kohlenstoffmonooxid. Das in der aufsteigenden heißen Luft enthaltene Kohlenstoffmonooxid reagiert daraufhin in der Mitte des Hochofens mit dem Eisenoxid der Eisenerze. Die Eisenerze werden reduziert, d.h. der im Erz gebundene Sauerstoff wird entfernt. Die Reaktionsprodukte sind Eisen und Kohlenstoffdioxid. Der Koks und dessen Verbrennungsprodukt Kohlenstoffmonooxid dienen bei dieser Reaktion als Reduktionsmittel. Im unteren Teil des Hochofens bewirken die exothermen Reaktionen ein Schmelzen des Eisens. Die Schmelze, in der neben Eisen eine geringe Menge anderer Elemente gelöst sind, wird dann als Roheisen von der oben schwimmenden Schlacke (oxidisches Stoffgemisch) durch einen Abscheider getrennt. Noch im flüssigen Zustand gelangt das Roheisen zur Weiterverarbeitung ins Stahlwerk.


2 Vom Roheisen zum Stahl

2.1 Zusammensetzung und Eigenschaften von Roheisen

Roheisen besteht nicht nur aus Eisen. Neben 90% Eisen, enthält es zusätzlich noch 4-5% Kohlenstoff und 5% Begleitstoffe. Unter den Begleitstoffen fallen Elemente wie Mangan, Silicium, Phosphor und Schwefel.

Der Kohlenstoff bzw. seine Atome sind in die Eisenkristallebene des Roheisens eingelagert. Man spricht von einem interstitiellen Fremdatom. Dabei verursachen diese Fremdatome im kubisch raumzentrierten Gitter (krz-Gitter) eine Gitteraufweitung, welche zu einer Spannung im Gitter führt (Abb. 1 und 2). Wird Druck auf das Roheisen ausgeübt, können die einzelnen Ebenen aufgrund der Aufweitung nicht aneinander vorbei gleiten. Dei einzelnen Ebenen brechen auseinander.

Abb. 1: Eisenkristallebene des krz-Gitters Abb. 2: Eisenkristallebene mit           interstitiellen Fremdatom ( Kohlenstoff) des krz-Gitters

 

Experiment Brüchigkeit von Roheisen bzw. Gusseisen
Material
  • dünne Stange aus Gusseisen vom Schrotthändler
  • Arbeitshandschuhe
  • Sicherheitsbrille
Durchführung Die Gusseisenstange wird der Muskelkraft ausgesetzt.
Beobachtung Die Gusseisenstange bricht.
Interpretation Kohlenstoff macht Gusseisen spröde.

Der eingelagerte Kohlenstoff macht das Roheisen zwar sehr hart, aber auch spröde und daher nicht schmiedbar. Der im Roheisen enthaltene Kohlenstoff beeinflusst die Eigenschaften dieses Metalls.

Um dem Metall seinen typischen metallischen Charakter der Verformbarkeit zu geben, muss der Kohlenstoff und die störenden Begleitelemente weitgehend aus dem Roheisen entfernt werden.

Dazu sind mehrere Raffinationsprozesse nötig:

  • Frischreaktionen
  • Desoxidationsreaktionen
  • Entschwefelungsreaktionen
  • Entgasungsreaktionen

2.2 Frisch-Reaktionen: Entkohlung des Roheisens

Bei der Frischreaktion wird Sauerstoff in flüssiges Eisen (Schmelze) geblasen. Der Sauerstoff kann sich im Eisen lösen und es bildet sich flüssiges FeO.

An der Grenzfläche Metall - Oxid oxidiert das entstandene FeO die störenden Begleitelemente, wie Si, Mn oder P:

Si + 2 FeO    -->   SiO2 + 2 Fe

Mn + FeO   -->   MnO + Fe

2 P + 5 FeO   -->   P2O5 + 5 Fe

Zur Verschlackung der Oxide wird CaO zugesetzt. Der Kohlenstoff reagiert mit dem in der Schmelze gelösten Sauerstoff.

C + O   -->   CO

Es existieren zwei prinzipielle Möglichkeiten um das Roheisen zu frischen:

2.2.1 Windfrischverfahren (1855) oder Thomas-Verfahren

Bei diesem Verfahren erfolgt das Frischen in birnenförmigen, kippbaren eisernen Konvertern, die mit feuerfestem Material ausgekleidet sind. Durch Bodendüsen des Konverters wird Luft in das Roheisen geblasen. Dementsprechend besitzt der erzeugte Stahl einen relativ hohen Stickstoffgehalt. Der gesamte Prozess dauert 20 - 50 Minuten, wobei das entstehende Produkt vergleichbar hochwertig ist. Das letzte Thomasstahlwerk in Deutschland wurde 1975 stillgelegt.

Abb. 3: Graphische Darstellung des Windfrischverfahrens

2.2.2 Herdfrischverfahren (1864) oder Siemens-Martin-Verfahren

Hier wird der Stahl aus Roheisen und Schrott (= altes, verrostetes Eisen) erzeugt. Als Ofen wird ein feuerfest ausgekleideter kippbarer Herd benutzt. Das Eisen-Schrott-Gemisch wird mit einem heißen Brenngas-Luft-Gemisch aufgeschmolzen. Das Frischen erfolgt einerseits durch den Sauerstoffgehalt des Schrotts und andererseits durch die Luft, die sich im Brenngas-Luft-Gemisch befindet. Die Oxidation des Roheisens erfolgt wesentlich langsamer als beim Windfrischverfahren (3 - 5 Stunden). Das letzte Siemens-Martin-Stahlwerk wurde 1982 stillgelegt.

2.3 Desoxidationsreaktionen

Im Stahl gelöster Sauerstoff verursacht bei der Erstarrung schädliche oxidische Einschlüsse. Damit diese Einschlüsse nicht entstehen können, muss flüssiger Stahl desoxidiert werden. Ein wirksames Desoxidationsmittel (Reduktionsmittel) ist hierbei Aluminium:

2 Al + 3 O   -->   Al2O3

2.4 Entschwefelungsreaktionen

Der im Roheisen gelöste Schwefel wird in Sulfid überführt, z.B. mit Ca, Mg oder Calciumcarbid.

2.5 Entgasungsreaktionen

CO und atomarer gelöster Wasserstoff werden durch Entgasung und vermindertem Druck entfernt.

Neuere Verfahren:

2.5.1 LD-Verfahren (1949) oder Sauerstoffaufblasverfahren

Beim LD-Verfahren wird durch eine wassergekühltes Rohr ca. 20 Minuten lang Sauerstoff auf das Schmelzbad im Konverter geblasen (Abb. 4 und 5). Dabei oxidieren die unerwünschten Begleitstoffe des Roheisens und werden als Schlacke abgestochen. Durch die Zugabe von Schrott wird der Roheiseneinsatz verringert. Zusätzlich wird durch den im Schrott gebundene Sauerstoff der Sauerstoffaufwand reduziert. Der auf diese Weise erzeugte flüssige Stahl wird anschließend durch Kippen des Konverters abgestochen. Er zeichnet sich durch eine hohe Reinheit aus.

Abb. 4: LD-Konverter, 120 Tonnen schwer [1]


Abb. 5: Graphische Darstellung des LD-Verfahrens

Die Entfernung der Begleitstoffe lässt sich mit den folgenden chemischen Reaktionen und deren freiwerdender Wärme, welche die Wärmezufuhr einspart, erklären.

Si + O2 --> SiO2 + 911.55 kJ
P + 5/4 O2 --> 1/2 P2O5 + 746.5 kJ
C + O2 --> CO2 + 393.77 kJ
Mn + 1/2 O2 --> MnO + 385.5 kJ

2.5.2 OBM - Verfahren (Oxygen-Bodenblas-Maximilianshütte, Ende der 60er)

Bei diesem Sauerstoffbodenblasverfahren tritt Sauerstoff durch Düsen im Konverterboden in die Schmelze ein. Dem Sauerstoff werden 3 - 5% Kohlenwasserstoffe zugesetzt, dadurch beginnt die Reaktion mit der Eisenschmelze erst in einigem Abstand von der Düsenmündung, so dass die feuerfeste Auskleidung standhält.

2.5.3 Kombinierte Blasverfahren (Mitte der 70er)

Bei diesem Prozess sind die Aufblastechnik und die Bodenblastechnik vereint. Die Vorteile sind bessere Baddurchmischung, damit bessere Gleichgewichtseinstellung, geringere Verschlackung von Eisen (höhere Stahlausbeute), bessere Entphosphorung und sehr definierte und geringe (< 0,02%) Kohlenstoffgehalte.

2.5.4 Elektrostahlverfahren

Der Stahl wird in Lichtbogen- oder Induktionsöfen geschmolzen. Ein bis 8000°C heißer Lichtbogen überträgt die benötigte Wärme durch Strahlung.

Bei Massenstählen wird unlegierter Schrott mit Kohle eingeschmolzen (1 - 2,5 Stunden). Anschließend erfolgt das Frischen. Aus hochwertigem Schrott werden Edelstähle hergestellt.

Nach dem Frischen des Eisens im Konverter oder im Lichtbogenofen wird der Stahl nachbehandelt, um die endgültige chemische Zusammensetzung einzustellen. Die Nachbehandlung erfolgt in der Pfanne, einem topfförmigen Gefäß (Fassungsvermögen bis 300 t, feuerfest ausgekleidet). Dabei erfolgt Desoxidation, Entschwefelung und Entgasung.

Mit Hilfe dieser Verfahren kann man Stähle mit unterschiedlichen Kohlenstoffanteil herstellen. Der Kohlenstoffanteil ist ausschlaggebend für die Eigenschaften des Stahls. Damit lässt sich seine vielseitige Verwendung erreichen. In der folgenden Tabelle sind die Eigenschaften und Verwendung von Werkzeugstahl aufgelistet.

Anteil an Kohlenstoff Eigenschaft Verwendung
<0,25 % leicht verformbar Spezialdrähte, Nägel, Konservendosen und Autokarosserien
0,25 -0,7 % wenig verformbar, aber fester Maschinenachsen, Eisenbahnschienen, Feilen und Zangen
0,7 -1,5 % hart Stahlfedern, Rasierklingen, Handsägen, Messer und Schwerter

Tab. 1: Eigenschaften und Verwendung von Werkzeugstahl

Experiment Verformbarkeit von Stahl
Material
  • dünne Stange aus Stahl vom Schrotthändler
  • Arbeitshandschuhe
  • Schutzbrille
Durchführung Die Stahlstange wird der Muskelkraft ausgesetzt.
Beobachtung Die Stahlstange lässt sich verformen.
Interpretation Der geringe Kohlenstoffanteil macht Stahl verformbar.

3 Vom Stahl zum Edelstahl

Stahl hat aufgrund seiner Eigenschaften eine weit verbreitete Verwendung in unserem Alltag gefunden. Die Industrie zeigt daher ein großes Interesse die physikalischen und chemischen Eigenschaften des Stahls zu verbessern. Aus diesem Grund werden dem Stahl verschiedene Legierungsmetalle, sogenannte Stahlveredler, zugesetzt. Legierungsmetalle sind vor allem Chrom, Nickel, Kobalt, Molybdän, Wolfram, Mangan, Vanadium und Titan. In der nachstehenden Tabelle sind einige Legierungsmetalle mit ihren Eigenschaften und Verwendung aufgelistet.

Legierungs-metall Eigenschaften Verwendung
Molybdän fest, rostbeständig, elastisch, wenig dehnbar, sehr wärmebeständig Zahnräder, Achsen, Wellen, Stahlfedern für Kfz und Uhren
Chrom besonders hart, hitze-, rost- und chemikalienbeständig Schlagwerkzeuge, Kugeln, Maschinenteile
Nickel zäh, dehnbar, rostbeständig, erhöhter elektrischer Widerstand Zahnräder, Drahtseile, Widerstandsdrähte, Achsen
Chrom/Nickel gut schweißbar, sehr hart, rost- und säurebeständig Waschmaschinen, Kochgeschirr, Besteck, Armbanduhren

Tab. 2: Eigenschaften und Verwendung von Edelstahl


Zusammenfassung

Eisenerz wird im Hochofen unter Verwendung von Koks zu Roheisen verarbeitet. Aufgrund des hohen Kohlenstoffanteil (ca. 5%) ist Roheisen zwar hart, aber zugleich spröde. Durch verschiedene Verfahren werden der Kohlenstoff und die Begleitstoffe aus dem Roheisen entfernt (Stahlerzeugung). Der Stahl hat einen Kohlenstoffanteil von weniger 1,5%. Je nach Kohlenstoffanteil ist Stahl leicht verformbar (<0,25% C) oder hart (0,7-1,5% C). Die Herstellung von Edelstahl wird durch Beifügen von Legierungsmetallen zur Stahlschmelze erreicht.


4 Literatur:

  1. http://de.wikipedia.org/wiki/Stahlerzeugung, 22.03.11. (Autor: Axel1963, Lizenz: Public Domain)
  2. Riedel, Allgemeine und Anorganische Chemie, DeGruyter, Berlin 1999.
  3. Holleman/Wiberg, Lehrbuch der Anorganischen Chemie, DeGruyter, Berlin1985.
  4. Vorlesungsskript: Werkstoffkunde 1, Lehrstuhl für Werkstoffkunde und Werkstoffmechanik, TU München, 2005.
  5. http://www.dillinger.de/cdstahlherstellung/cd/screens/htmlscopt/c.html, 22.03.11.
  6. C. E. Mortimer, Das Basiswissen der Chemie, 7. Auflage, Georg Thieme Verlag, Stuttgart 2001.
  7. http://www.klassenarbeiten.de/referate/chemie/stahlherstellung/stahlherstellung_15.htm, 22.03.11.
  8. http://www.woodworking.de/schaerfprojekt/stahl1.html, 22.03.11.

E-Mail: Walter.Wagner ät uni-bayreuth.de, Stand: 13.04.16