- Grundlagen und Anf�nge
- Eisen und Stahl
- Stahlherstellung
- Eisen und Stahl
Verfahren der Stahlherstellung
Der Vorgang, bei dem der Gehalt an Kohlenstoff und anderen Elementen im Roheisen gesenkt wird, wird als Frischen bezeichnet. Das bedeutet nichts anderes, als dass die unerw�nschten Begleitelemente oxidiert werden.
Die einst bedeutenden Frischverfahren wie das Bessemer-Verfahren, das Thomas-Verfahren und das Siemens-Martin-Verfahren haben in der heutigen Produktion den Platz f�r neue Verfahren der Stahlherstellung frei gemacht. Hierbei sind von besonderer Bedeutung
- das Sauerstoffblasverfahren (LD-Verfahren) und das
- das Elektrostahlverfahren.
Stahlproduktion (in Prozent) nach Produktionsverfahren
(1952-1978)
Quelle: Autorenteam, nach Internet 1
Technisch am weitesten verbreitet ist das sog. LD-Verfahren. Entwickelt wurde es in den 1950er Jahren von den �sterreichischen Stahlwerken in Linz und Donawitz. Bei diesem Verfahren wird das fl�ssige Roheisen aus dem Hochofen in einen gro�en, schwenkbaren Beh�lter gef�llt. Dieser Beh�lter hei�t Konverter und fasst ungef�hr 300 t fl�ssiges Roheisen. Zus�tzlich wird noch Eisenschrott beigegeben, er wird zur K�hlung des Konverters ben�tigt. Denn die Reaktion, die zur Umwandlung von Roheisen in Stahl f�hrt, ist exotherm, d.h. sie l�uft unter Freiwerden von W�rme ab, so dass die Temperatur der Schmelze im Konverter trotz Zugabe von Metallschrott von etwa 1.250 �C auf etwa 1.600 �C ansteigt.
Verfahrenswege f�r die Herstellung von Stahl
Quelle: Verein Deutscher Eisenh�ttenleute Wirtschaftsvereinigung Stahl 1999, S. 26
Copyright 2000 Verlag Stahleisen GmbH, D�sseldorf, Germany
Am Anfang der Reaktion steht eine wassergek�hlte Lanze, die in die Schmelze des Konverters eingebracht wird. Durch diese Lanze wird reiner Sauerstoff mit einem Druck von etwa 10 bar geblasen. Der Sauerstoff oxidiert die Begleitelemente. Die entstehenden gasf�rmigen Oxide (Kohlenmonoxid, Kohlendioxid und Schwefeldioxid) entweichen durch die Konverter�ffnung in den Abgaskamin oder sie lagern sich als feste/fl�ssige Oxide an der Oberfl�che der Schmelze ab. Hier bilden sie zusammen mit dem vorher zugegebenen Kalkstein die "Schlacke". Nach etwa einer halben Stunde ist der Gehalt an Fremdelementen in der Schmelze stark gesenkt. Die Schlacke und die Stahlschmelze werden getrennt voneinander abgestochen, d.h. aus dem Konverter in einen Transportk�bel gegossen.
Das zweite wichtige Stahlherstellungsverfahren ist das Elektrostahlverfahren. Es wurde 1904 von Paul-Louis Heroult entwickelt. In einem Elektro-Ofen wird das Roheisen auf Temperaturen um 3.000 �C gebracht. Dies erreicht man durch Anlegen einer Spannung zwischen zwei Graphit-Elektroden. Dabei bildet sich ein sog. Lichtbogen. Au�er dem Roheisen wird Schrott zugegeben, dessen Sauerstoffanteil die Begleitelemente oxidiert. Dann setzt man Legierungsmetalle in bestimmten Mengen direkt hinzu, so dass eine Stahllegierung entsteht (s. Vertiefung Stahlsorten und Legierungen).
Der Vorteil dieses Verfahrens liegt darin, dass zum Teil auf den Gebrauch von Roheisen verzichtet werden kann und gro�e Mengen an Eisenschrott verarbeitet werden. Ein weiterer Vorteil ist die sehr geringe Verunreinigung des Stahls durch Reduktionsmittel sowie die Unabh�ngigkeit von Koks. Der Nachteil liegt im sehr hohen Energieverbrauch. Das Elektrostahl-Verfahren wird vorwiegend zur Herstellung von Qualit�tsst�hlen genutzt.
Da Strom und Schrott beinahe �berall erh�ltliche Einsatzfaktoren sind, entstand mit der raschen Verbreitung dieses Verfahrens ein entscheidender Impuls zur Standortverlagerung: Die Stahlwerke konnten sowohl kleiner, d.h. weniger kapitalintensiv (sog. "Ministahlwerke") als auch an neuen Standorten (z.B. an der Mittelmeerk�ste) angesiedelt werden. Hierdurch entstand der klassischen Stahlindustrie - auch der des Ruhrgebietes - mit ihren kapitalintensiven und standortgebundenen Gro�investitionen ein erheblicher Konkurrenzdruck.
- Vertiefung: Stahlsorten und Legierungen
Das Frischen macht Roheisen zu Stahl
Das Roheisen enthält, nachdem es aus dem Hochofen kommt, noch sehr viele Verunreinigungen. Diese sorgen beispielsweise dafür, dass Roheisen sehr spröde ist und beim Erhitzen plötzlich in den flüssigen Zustand übergeht, statt langsam aufzuschmelzen.
Der Anteil an Begleitelementen im Stahl muss also, um gezielt bestimmte Eigenschaften zu erhalten, genau eingestellt werden. Dafür wird das Roheisen in einem Konverter gefrischt. Bei diesem Vorgang oxidieren die Begleitstoffe und können als Gas und Schlacke getrennt vom flüssigen Stahl abgezogen werden.
Das Linz-Donawitz Verfahren
Der Name stammt von den beiden Städten, Linz und Donawitz in Österreich, in denen das Verfahren zuerst angewendet wurde. Es wird auch nach dem Prozess als Sauerstoff-Blasverfahren bezeichnet. Heutzutage ist es das am weitesten verbreitete Verfahren zur Stahlerzeugung aus Roheisen. Etwa 80 Prozent des in Deutschland produzierten Stahls werden nach diesem Verfahren hergestellt.
Der sogenannte Konverter ist mit feuerfesten Steinen – häufig Dolomit – ausgekleidet. Er besitzt nur im oberen Bereich eine Öffnung durch die Gase austreten können und über die er befüllt und abgegossen wird.
Hauptsächlich kommt beim Linz-Donawitz Verfahren (LD-Verfahren) flüssiges Roheisen zum Einsatz. Zusätzlich wird ein gewisser Anteil Schrott oder Eisenschwamm beigemischt, um den Konverter zu kühlen. Dieser Anteil darf allerdings circa 30 Prozent nicht überschreiten. Teilweise werden auch weitere Zusätze zugegeben, beispielsweise um die Schlackenbildung zu verbessern.
Beim Aufblasprozess wird 20 Minuten lang aus einer wassergekühlten Sauerstofflanze reiner Sauerstoff mit einem Druck von etwa 12 bar auf die Schmelze geblasen. Die währenddessen ablaufenden Oxidationsprozesse liefern genug Wärme, um das flüssige Metall von etwa 1150°C auf 1650°C aufzuheizen. Begleitelemente wie Kohlenstoff und Schwefel verbrennen dabei und entweichen als Gas oder lagern sich als Schlacke auf der Oberfläche der Flüssigkeit ab.
Weitere Aufblasverfahren
Das Linz-Donawitz Verfahren wurde in den letzten Jahren kontinuierlich weiterentwickelt. Man ist teilweise dazu übergangen vom Boden her Edelgase wie Stickstoff oder Argon einzuleiten, um die Durchmischung zu verbessern und die Geschwindigkeit der Reaktionen zu erhöhen.
Das Linz-Donawitz-Arbed-Centre-National Verfahren (LDAC-Verfahren) wird für besonders phosphorreiche Roheisenchargen verwendet. Dabei wird nach dem ersten Aufblasvorgang nur die Schlacke abgegossen, um dann ein zweites Mal zusammen mit Staubkalk aufzublasen. Dadurch erreicht man eine sehr effektive Beseitigung von Phosphorbeimengungen.
Es gibt weitere Aufblasprozesse und auch Bodenblasprozesse, die jedoch in der heutigen Stahlindustrie deutlich weniger Bedeutung besitzen.
Elektrostahlverfahren
Im Gegensatz zu den oben beschriebenen Verfahren verarbeitet man beim Elektrostahlverfahren deutlich weniger bis gar kein Roheisen. Stattdessen erschmilzt man den Stahl im Elektroofen aus Eisenschrott.