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Stahl

kohlenstoffarme Eisenlegierungen
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Stahl bezeichnet alle metallischen Legierungen, deren Hauptbestandteil Eisen ist und die durch Schmieden oder Walzen plastisch umformbar sind.

Definition

Nach der klassischen Definition ist Stahl eine Eisen-Kohlenstoff-Legierung, die weniger als 2,06 % (Masse) Kohlenstoff enthält. Dieser Definition folgt auch die DIN EN 10020, nach der Stähle Werkstoffe, deren Massenanteil an Eisen größer ist als der jedes anderen Elements, dessen Kohlenstoffgehalt im allgemeinen kleiner als 2 Gew.-% C sind.

Bei höheren Anteilen von Kohlenstoff spricht man von Gusseisen. Hier liegt der Kohlenstoff in Form von Graphit vor.

Gegenwärtig gibt es aber einige Gruppen von Stählen, in denen Kohlenstoff kein Legierungsbestandteil mehr ist. Ein Beispiel dafür sind IF-Stähle, in deren Eisenmatrix kein Kohlenstoff interstitiell eingelagert ist.

Eigenschaften

Stähle sind die am meisten verwendeten metallischen Werkstoffe. Durch Legieren mit Kohlenstoff und anderen Elementen in Kombination mit Wärme- und thermomechanischer Behandlung (gleichzeitige thermischer Behandlung mit plastischer Umformung) können seine Eigenschaften für einen breiten Anwendungsbereich angepasst werden.

Der Stahl kann zum Beispiel sehr weich und dafür ausgezeichnet verformbar hergestellt werden, wie etwa das Weißblech der Getränkedosen. Demgegenüber kann er sehr hart und dafür spröde hergestellt werden, wie etwa martensitische Stähle für Messer (Messerstahl). Moderne Entwicklungen zielen darauf, den Stahl gleichzeitig fest und duktil (verformbar) herzustellen, als Beitrag für Leichtbau von Maschinen.

Das wichtigste Legierungselement im Stahl ist Kohlenstoff. Er liegt entweder elementar oder als Verbindung (Zementit=Fe3C) vor. Die Bedeutung von Kohlenstoff im Stahl ergibt sich aus seinem Einfluss auf die Stahleigenschaften und Phasenumwandlungen.

Im Allgemeinen wird Stahl mit höherem Kohlenstoffanteil fester, aber auch spröder. Durch Legieren mit Kohlenstoff entstehen in Abhängigkeit von der Konzentration und der Umgebungstemperatur unterschiedliche Phasen: Austenit, Ferrit, Perlit, Ledeburit und primärer, sekundärer und tertiärer Zementit. Durch beschleunigtes Abkühlen von Austenit, in dem Kohlenstoff gelöst ist, können die weiteren Phasen wie fein- (ex Sorbit) und feinststreifiger Perlit (ex Troostit) sowie nadeliger/körniger Bainit ("Zwischenstufe") und massiver/nadeliger Martensit bzw. Hardenit entstehen (siehe auch Härten (Stahl)).

Die Kristallitstruktur von Stahl kann mit dem Eisen-Kohlenstoff-Diagramm beschrieben werden.

Die Dichte von Stahl bzw. Eisen beträgt rund 7,85 · 10³ kg/m³, der E-Modul ca. 210 GPa.

Stahlherstellung

Hochofenroute

Bei diesem Verfahren wird zuerst Roheisen aus Eisenerz und Koks hergestellt. Außerdem kann zusätzlich Schrott eingesetzt werden. Danach wird durch weitere Verfahren aus Roheisen Stahl hergestellt.

Die Stahlherstellung aus Eisenerz erfolgt gegenwärtig üblicherweise mit einem Hochofen. Das Eisenerz wird zunächst gesintert, um eine geeignete Stückigkeit einzustellen. Der Sinter wird mit Kalkstein und Koks zum Möller vermischt und anschließend in den Hochofen chargiert. Der Hochofen ist ein metallurgischer Reaktor, in dem im Gegenstrom die Möllersäule mit heißer Luft, dem so genannten Wind reagiert. Durch Verbrennen des Kohlenstoffs aus dem Koks entstehen die für die Reaktion nötige Wärme und Kohlenmonoxid, das die Möllersäule durchströmt und das Eisenoxid reduziert. Als Ergebnis entstehen Roheisen und Schlacke, die periodisch abgestochen werden.

Da das Roheisen sehr viel Kohlenstoff enthält, muss es einen weiteren Prozessschritt durchlaufen. Durch Aufblasen von Sauerstoff, dem so genannten Frischen, wird der Kohlenstoff oxidiert und es entsteht flüssiger Stahl. Nach dem Zulegieren der gewünschten Elemente wird er im Strang oder in der Kokille zu Halbzeug vergossen. Das Vergießen bedarf besonderer Techniken, man unterscheidet zwischen beruhigtem und unberuhigt vergossenen Stahl (unter Beruhigen versteht man das Binden des in der Schmelze gelösten Sauerstoffs durch Zulegieren von Aluminium oder Silizium). Dies hat Einfluss auf im erkaltenden Stahl entstehende Seigerungen (Materialentmischungen, z. B. Schwefelablagerungen) oder Lunker (durch das Schwinden des Materials bedingte Hohlräume). Beide sind mit Qualitätsverlusten verbunden.

Direktreduktion

Die Nachteile des Hochofens sind, dass hohe Ansprüche an die Einsatzmaterialien gestellt werden und der Ausstoß an Kohlendioxid. Der eingesetzte Eisenträger und der Koks müssen stückig und hart sein, so dass genügend Hohlräume in der Möllersäule bestehen bleiben, die das Durchströmen durch den eingeblasenen Wind gewährleisten. Der CO2-Ausstoß stellt eine hohe Umweltbelastung dar. Deshalb gibt es Bestrebungen, die Hochofenroute abzulösen. Bisher hat sich aber kein Verfahren gegenüber dem Hochofen etablieren können. Zu nennen sind hier die Eisenschwamm- und Pelletsherstellung in Drehrohröfen sowie die Corex-, Midrex- und Finex-Verfahren.

Die bisher am meisten verbreiteten Verfahren sind Midrex - bzw HYL Direktreductionsverfahren, die Eisenschwamm bzw. HBI ( Hot Briquetted Iron ), als festes Einsatzmaterial erzeugen. Dieses ist immer noch mit einer gewissen Menge von Gangart des Ausgangserzes belastet, aber der Kohlenstoffgehalt ist normalerweise nicht höher als 1%. Das Corex-Verfahren ist neueren Datums und erzeugt ein flüssiges, roheisenähnliches Vormaterial, dessen Kohlenstoffgehalt bei ca. 3,5 bis 4% liegt.

Stahlherstellungsverfahren

Man kann zwischen so genannten Blasverfahren und Herdfrischverfahren unterscheiden.

Bei den Blasverfahren wird das Roheisen mit Sauerstoff oder Luft gefrischt. Der Oxidationsprozess, der den Kohlenstoffanteil senkt (das Frischen), liefert in diesen Verfahren genug Wärme, um den Stahl flüssig zu halten, eine externe Wärmezufuhr ist in den Konvertern deshalb nicht notwendig. Die Blasverfahren kann man zusätzlich in Aufblasverfahren und Bodenblasverfahren unterteilen. Zu den Bodenblasverfahren gehören das Bessemerverfahren, das Thomasverfahren, die Rennfeuer und frühen Hochöfen. Das bekannteste Aufblasverfahren ist das LD Verfahren.

Bei den Herdfrischverfahren wird der zur Oxidation notwendige Sauerstoff dem zugesetzten Schrott und Erz entnommen. Außerdem muss den Herdfrischkonvertern extern Wärme zugeführt werden. Die bekanntesten Herdfrischverfahren sind das Siemens-Martin-Verfahren und der Elektroofenprozess.

In moderner Zeit wird Stahl zunehmend in integrierten Stahlwerken hergestellt, die die Roheisenherstellung, die Stahlproduktion und die Halbzeug-Fabrikation in einem Werk integrieren, um Transporte, Energie und damit Kosten zu sparen.

Historische Verfahren

Meteoreisen

Ursprünglich wurde das Eisen von Eisenmeteoriten verarbeitet. In Lehmöfen, die mit Holzkohle und Luft, durch Blasebalge, beschickt wurden, konnten enorme Temperaturen erreicht werden. 1300–1600 °C waren nötig, um die Eisen-Nickel-Legierung, die in den Meteoren enthalten ist (80-95 % Eisen), herauszuschmelzen.

Rennfeuer

Ca. 1500 v. Chr wurden die ersten Rennöfen gebaut. Diese sind Lehmöfen, in die Holzkohle und Eisenerz schichtweise eingebracht wurden. Im Rennofen entstehen Temperaturen zwischen etwa 1200 und 1300 °C, die das taube Gestein aufschmelzen und als Schlacke ablaufen lassen. Daher stammt auch der Name: Rennen von Rinnen. Das Eisen wird durch die Holzkohle reduziert. Es entsteht eine von Schlacketeilchen durchsetzte Luppe, die durch Schmieden weiterverarbeitet werden kann.

 
Mittelalterliches Produktionsverfahren

Stück- oder Wolfsofen

Ab etwa dem 12. Jahrhundert wurden die Öfen nicht mehr in die Erde sondern oberirdisch gebaut (Vorläufer der Hochöfen) und zusätzlich durch wassergetriebene Blasebälge mit Luft versorgt. Auch wurde der Stahl mit wassergetriebenen Hammerwerken bearbeitet.

Gussstahl

Das Roheisen wird im seit 1842 angewendeten Gussstahlverfahren zusammen mit Schrott geschmolzen. Der Sauerstoffanteil im Schrott frischt das Roheisen und verbessert somit die Qualität des Stahls.

Puddel-Verfahren

Das Puddel-Verfahren wurde im Jahre 1784 von Henry Cord in England erfunden. Dabei wird die schon zäh werdende Roheisenmasse mit Stangen gewendet, so dass möglichst viel der Oberfläche mit der Umgebungsluft in Berührung kommen kann. Durch diesen Sauerstoffkontakt wird das Roheisen gefrischt und so zu Stahl verarbeitet (siehe auch Eiffelturm, Griethauser Brücke).

Thomas- und Bessemerverfahren, DSN-Verfahren

 
Thomasbirne, 1900

Diese sind Konverterverfahren, bei denen durch Bodendüsen des Konverters Gase in die Roheisenschmelze gedrückt werden. Die Thomas- und Bessemerverfahren verwenden Luft, im DSN-Verfahren (Dampf-Sauerstoff-Neunkirchen) wird Sauerstoff zusammen mit Wasserdampf statt Luft eingesetzt. Das auch "saures Windfrischverfahren" genannte Bessemerverfahren wurde 1855 von Henry Bessemer entwickelt. Das Thomasverfahren (auch "basisches Windfrischverfahren" genannt und bekannt durch die Konverterform: die Thomasbirne) wurde 1878 von Percy Gilchrist und Sidney Thomas erfunden. Sie unterscheiden sich durch die Ausmauerung des Ofens, welche entweder sauer oder basisch wirkt und so verschiedene Eigenschaften aufweist (im Thomasverfahren eine Dolomit-Teer-Mischung).

OBM-Verfahren

Im OBM-Verfahren (Oxygen-Bottom-Maxhütte oder Oxygen-Bodenblas-Metallurgie-Verfahren) werden Sauerstoff und Butan oder Propan durch den Boden des Konverters eingeblasen. Mit der Stillegung der Neuen Maxhütte in Sulzbach-Rosenberg im Jahr 2003 ist der einzige deutsche OBM Konverter stillgelegt worden. In Charleroi (Belgien) existieren OBM Konverter im Stahlwerk Duferco Carsid.

Siemens-Martin-Verfahren

Dieses war die bevorzugte Stahlherstellungsmethode, von seiner Erfindung 1864 durch Friedrich Siemens und Wilhelm Siemens und seiner Umsetzung zusammen mit Emile Martin und Pierre Martin, bis in die erste Hälfte des 20. Jahrhunderts. Der SM-Ofen besteht aus dem Oberofen, mit dem vom Gewölbe überspanntem Schmelzraum und dem Unterofen. Im Oberofen wird flüssiges Roheisen, Roheisenmasseln (sic!) oder der Schrott chargiert. Im Unterofen sind die Regenerationskammern zur Luft- und Gasvorwärmung untergebracht. Im Oberofen wird mit öl- oder gasbetriebenen Brennern der Schmelzraum beheizt. Die Reduktion des Kohlenstoffs (Frischen) erfolgt durch den Sauerstoffüberschuss der Brennerflamme oder durch Zugabe von Eisenerz. Das Verfahren wurde inzwischen durch Sauerstoffblasverfahren verdrängt. 1993 wurde in Brandenburg an der Havel der letzte deutsche SM-Ofen stillgelegt. Er ist heute als technisches Denkmal erhalten.

Aktuelle Verfahren

Linz-Donawitz-Verfahren

Im Linz-Donawitz- oder LD-Verfahren wird durch eine Lanze Sauerstoff auf das Schmelzbad im Konverter geblasen, so werden unerwünschte Begleitstoffe oxidiert und können dann als Schlacke abgestochen werden. Durch Zugabe von Schrott und Erz kann der Roheiseneinsatz verringert und die Schmelze gekühlt werden. In den Konverter muss flüssiges Roheisen chargiert werden, da das Verfahren die Einsatzstoffe nicht aufschmelzen kann. Der fertige Stahl wird durch Kippen des Konvertergefäßes in Pfannen abgestochen. Das Verfahren ist benannt nach den Standorten Linz und Donawitz der österreichischen Unternehmen VÖEST und Alpine Montan – beide inzwischen fusioniert zur Voestalpine – die dieses Verfahren entwickelten. Inzwischen existieren mehrere Varianten des LD-Verfahrens, bei dem etwa gleichzeitig Sauerstoff und anschließend Argon durch Bodendüsen eingeleitet werden (LBE, Lance Bubbling Equilibrium).

Elektrostahlverfahren

Bei den Elektrostahl-Verfahren wird die zum Schmelzen erforderliche Wärme durch einen Lichtbogen oder durch Induktion erzeugt.

Der Lichtbogenofen wird mit Schrott, Eisenschwamm und Roheisen beschickt. Außerdem werden noch Kalk zur Schlackenbildung und Reduktionsmittel zugegeben. Der von den Graphitelektroden zum Schmelzgut verlaufende Lichtbogen erzeugt Temperaturen bis zu 3500°C. Deshalb können auch schwer schmelzbare Legierungelemente wie Wolfram und Molybdän als Ferrolegierungen eingeschmolzen werden.

Mit Lichtbogenöfen können alle Stahlsorten hergestellt werden.

Corexverfahren

Der COREX-Prozess ist ein zweistufiges Schmelzreduktionsverfahren („smelting-reduction“), in dem Roheisen auf Basis nicht verkokter Kohle und Eisenerzen hergestellt werden kann. Ziel des Schmelzreduktionsverfahren ist es, durch die Kombination von Schmelzprozess, Kohlevergasung und Direktreduktion flüssiges Eisen zu erzeugen, dessen Qualität dem Hochofenroheisen entspricht. Die Schmelzreduktion kombiniert den Prozess der Direktreduktion (Vorreduktion von Eisen zu Eisenschwamm) mit einem Schmelzprozess (Hauptreduktion). Der Prozess läuft also zweistufig in getrennten Aggregaten ab. Zuerst werden die Erze zu Eisenschwamm reduziert, im zweiten Schritt erfolgt die Endreduktion und das Aufschmelzen zu Roheisen. Die für den Schmelzvorgang nötige Energie liefert die Verbrennung von Kohle (nicht verkokt). Dabei entstehen große Mengen Kohlenmonoxid als Abgas, das als Reduktionsgas genutzt wird.

Veränderung von Stahleigenschaften

Stahl kann gewollte Eigenschaften (Härte, Duktilität, Kerbschlagzähigkeit...) annehmen. Die drei grundsätzlichen Methoden zur Veränderung der Stahleigenschaften sind:

Wirtschaftliche und historische Bedeutung

Der Werkstoff Stahl und die Steigerung seiner Produktion ging über etwa 130 Jahre direkt einher mit der weltwirtschaftlichen Entwicklung bis in die Gegenwart. In manchen Wirtschaftsbereichen (z. B. Schiffbau) stellte die Stahlproduktion die einzige Wachstumsgrenze dar. Die technisch-industrielle Revolution der zweiten Hälfte des 19. Jahrhunderts und die enorme Steigerung der Stahlproduktion bedingten sich gegenseitig. Der Pariser Eiffelturm symbolisiert als gewaltige Stahlkonstruktion diesen Zeitabschnitt. Die Stahlproduktion einer Volkswirtschaft wurde lange Zeit sogar als Maß für ihre Leistungsfähigkeit angesehen.

Vor und nach dem Zweiten Weltkrieg spielte der Stahl bei der Produktion von Rüstungsgütern, insbesondere von Panzern, die Hauptrolle. Deutschlands Norwegenfeldzug wurde wegen des schwedischen Eisenerzes unternommen, und die Alliierten wollten das Ruhrgebiet, damals der größte geografische Waffenproduzent Europas, mittels gezielter Dammbrüche überschwemmen.

In der Nachkriegszeit wurde in Europa die Montanunion gegründet, um die Stahlproduktion unter Kontrolle zu halten. Aus dieser Verbindung entstand in mehreren Schritten die Europäische Union.

Rohstoffsituation

Obwohl die Erdkruste zu fünf Prozent aus Eisen, dem wichtigsten Ausgangsmaterial für Stahl, besteht, wird gegenwärtig der Rohstoffbedarf der Industrie nicht gedeckt. Beginnend im 2. Halbjahr 2003 zeigt sich eine dramatisch veränderte Rohstoffsituation, die vor allem durch den stark steigenden Stahlbedarf der Volkswirtschaften in der Volksrepublik China, Indien und Brasilien verursacht wurde. Seit einigen Jahren wächst allein die Stahlproduktion in China jährlich um mehr als die gegenwärtige Gesamtproduktion Deutschlands. Plötzlich reichte die Erzeugung der Erzminen nicht mehr aus, die Umschlagkapazitäten der Erzhäfen waren erschöpft, und es waren auch nicht mehr genug Schiffe für den Erztransport verfügbar. Ähnliche Entwicklungen ergaben sich für Koks, welcher für die Roheisenherstellung benötigt wird, und für Schrott als Sekundärrohstoff für die Stahlerzeugung.

Die Konsequenzen aus dieser Entwicklung wurden von den großen Stahlherstellern der Industrieländer unterschätzt, so dass der aktuelle Rohstoffbedarf nicht gedeckt werden kann. Infolgedessen haben sich die Preise für Rohstoffe und Stahlprodukte vervielfacht. Gegenwärtig ist Stahl knapp und teuer.

Es ist keine Trendwende in Sicht, die Stahlproduktion und der Rohstoffbedarf werden weiter steigen, obwohl die Wachstumsrate durch staatliche Eingriffe gegenwärtig sinkt. Der Bedarf an Eisenerz wird durch das Erschließen neuer Abbaugebiete gedeckt werden können.

Außer der Stahlindustrie sind auch Beton und Aluminium von diesem Phänomen betroffen. Eine Ursache für den hohen Erdölpreis ist ebenfalls der gestiegene Rohstoffbedarf der Schwellenländer.

Die größten Stahlproduzenten

Das bedeutendste Herstellerland für Stahl ist China, gefolgt von Japan und den USA. In Europa sind die drei wichtigsten Produzenten Russland, Deutschland und Italien.

Die 10 größten Stahlproduzenten
Die 10 größten Stahlproduzenten










Die größten Stahlproduzenten weltweit (2003)
Quelle: Handelsblatt Die Welt in Zahlen (2005)
 Rang  Land  Produktion 
(in Mio. t) 		 Rang  Land  Produktion 
(in Mio. t)
   1 China    220,1    10 Italien    26,7
   2 Japan    110,5    11 Frankreich    19,8
   3 USA    90,4    12 Taiwan    18,9
   4 Russische Föd.    62,7    13 Türkei    18,3
   5 Südkorea    46,3    14 Spanien    16,5
   6 Deutschland    44,8    15 Kanada    15,9
   7 Ukraine    36,9    16 Mexiko    15,2
   8 Indien    31,8    17 Großbritannien    13,3
   9 Brasilien    31,1    18 Belgien    11,1


Weitere Tabellen zu Produktionsdaten findet man hier:

Die zehn weltgrößten, stahlproduzierenden Unternehmen

(gemessen an der Erzeugung in Jahrestonnen Rohstahl)

Die Daten wurden auf Basis des Internationalen Eisen- und Stahlinstituts zusammengestellt und schließen Mittals Erwerb der amerikanischen ISG 2005. Sie weichen zum Teil von den Daten der deutschen Wirtschaftsvereinigung Stahl ab. Dofasco wird bis zur endgültigen Klärung der zukünftigen Zugehörigkeit separat erfasst.

Ökologie

Stahl ist aus ökologischer Sicht ein hervorragender Werkstoff, da er nahezu ohne Qualitätsverlust unbegrenzt recycelbar ist, indem der Schrott wieder geschmolzen wird.

Demgegenüber ist der Hochofenprozess ökologisch bedenklich, da er ein bedeutender Emittent von Kohlendioxid ist. Deshalb wird intensiv an neuen Verfahren der Roheisenerzeugung geforscht. Bisher geschah dies jedoch ohne nennenswerten Erfolg

Konkurrenzmaterialien

Stahl steht insbesondere in der Automobilindustrie in direkter Konkurrenz mit Werkstoffen mit geringerem spezifischem Gewicht, wie Aluminium, Magnesium, Kunststoffen und Faserverbundwerkstoffen. Da diese Werkstoffe aber durchwegs weniger fest sind als Stahl, kann der Gewichtsvorteil durch gezieltes Verwenden von hochfesten Stählen und konstruktiven Maßnahmen (etwa dünneres Blech mit Aussparungen aber dafür Sicken) ausgeglichen werden.

Arten von Stählen

Nach DIN EN 10020 wird zwischen den zwei Hauptgüteklassen

unterschieden. Die Kurznamen der Stähle sind in der DIN EN 10027 festgelegt. Heute werden ca. 2500 verschiedene Stahlsorten hergestellt.

Die Stahlwerkstoffe werden nach den Legierungselementen, den Gefügebestandteilen und den mechanischen Eigenschaften in Gruppen eingeteilt.

In Abhängigkeit vom Legierungsgehalt wird unterteilt in:

Unlegierte Stähle

Unlegierte Stähle werden in Stahlwerkstoffe, die nicht für eine Wärmebehandlung vorgesehen sind, und in Stähle für eine Wärmebehandlung eingeteilt.

Niedriglegierte Stähle

(Der Gehalt aller Legierungselemente außer Kohlenstoff beträgt < 5%)

Niedriglegierte Stähle haben prinzipiell ähnliche Eigenschaften wie unlegierte Stähle. Technisch wichtig ist ihre wesentlich bessere Eignung zur Beeinflussung der mechanischen Eigenschaften durch Wärmebehandlung und mit speziellen Legierungskombinationen auch die erhöhte Warmfestigkeit.

Hochlegierte Stähle

(Der Gehalt eines der Legierungselemente beträgt mindestens 5%)

Hochlegierte Stähle sind für Sondereigenschaften erforderlich. Zunderbeständigkeit oder besondere physikalische Eigenschaften lassen sich nur durch hochlegierte Stähle erzeugen

Einteilung nach Anwendungsgebieten

Weitere wichtige Eigenschaften für den Anwender sind die Einsatzbereiche und Verwendungsmöglichkeiten der Stähle. Daher ist auch eine Kennzeichnung sinnvoll, aus denen dies entnommen werden kann:

Siehe auch

Wiktionary: Stahl – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen
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