Stahl: schmiedbares Eisen, Kohlenstoffgehalt < 2%Stahlgewinnung: Beseitigung der Verunreinigungen durch Verbrennen mit Sauerstoff.
Welchen Nachteil hat es, wenn die Oxidation mit Luft an Stelle von Sauerstoff durchgeführt wird?Nach der klassischen Definition ist Stahl eine Eisen-Kohlenstoff-Legierung, die weniger als 2,06 % (Masse) Kohlenstoff enthält (Ausnahme: Kaltarbeitsstähle). 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. Chemisch betrachtet handelt es sich bei dem Werkstoff Stahl um eine Legierung aus Eisen und Eisencarbid. Die einfachste Definition ist aber wohl folgende: Jedes Eisen, welches ohne Zugabe anderer Stoffe schmiedbar ist, kann man als Stahl bezeichnen.
Bei höheren Anteilen von Kohlenstoff spricht man von Gusseisen.
Das aus dem Hochofen kommende Roheisen ist wegen seines hohen Kohlenstoffgehaltes spröde und erweicht beim Erhitzen plötzlich, so dass es weder geschmiedet noch geschweißt werden kann. Eine Verringerung des Kohlenstoffgehaltes führt es in schmiedbares Eisen - das ist Stahl - über. Darunter fallen alle Eisensorten mit einem Kohlenstoffgehalt unter 2 %. Dies zeigt, dass eine entsprechende Entkohlung des Roheisens zum Stahl führt. Die Technik hat dafür mehrere Verfahren entwickelt.
Beim Sauerstoffaufblas-Verfahren (Linz-Donawitz-Verfahren, oder LD-Verfahren) wird der Kohenstoffgehalt zusammen mit den Verunreinigungen des Roheisens (Silicium, Phosphor, Schwefel und Mangan) durch Verbrennung mit reinem Sauerstoff entfernt. Dazu verwendet man sog. Konverter. Beispiel:
| CaO | + | SiO2 |  |
CaSiO3 |
| Caliciumsilicat | ||||
| 6CaO | + | P4O10 | |
2Ca3(PO4)2 |
| Caliciumphosphat |
Stranggießverfahren: Verarbeitung des in der Hitze noch verformbaren Stahls.Legierungen des Eisens erhält man durch Zusatz von Elementen zu einer Stahlschmelze.
In welchen Entwicklungsländern wird heute Stahl gewonnen?
In den Industieländern beträgt der Pro-Kopf-Verbrauch an Stahl 500 - 700 kg in einem Jahr, in den Entwicklungsländern liegt er z. Zt. bei 16 - 40 kg. Probleme?
Nach dem Einfüllen des Roheisens in den Konverter wird über ein Rohr Sauerstoff (Sauerstofflanze) mit einem Druck von 6-15 bar auf das Metallbad geblasen. Nach wenigen Sekunden tritt die Zündung ein, und innerhalb kurzer Zeit kommt es zu heftigen Oxidationsvorgängen; die Temperatur steigt im Reaktionszentrum auf 3000°C. Das Eisenbad gerät dadurch unter Aufschäumen der Schlacke in heftige Wallung. Dieser Vorgang bewirkt, dass die ganze Schlacke mit dem Sauerstoff in Berührung kommt. Dies führt zu einer gründlichen Oxidation der Verunreinigung des Roheisens und damit zu einem Stahl hoher Qualität. Nach diesem Verfahren werden 70 % des in Deutschland produzierten Stahls gewonnen. Früher wurde der flüssige Stahl zu Blöcken gegossen; heute wird er - noch nicht völlig erstarrt - im sog. Stranggießverfahren bereits weiterverarbeitet. So wird beträchtlich Energie, die zum Erweichen der Stahlblöcke früher aufzuwenden war, eingespart.
Durch Zusatz von Metallen und Nichtmetallen zu einer Stahlschmelze erhält man Stahllegierungen. Die Eigenschaften des Rohstahls können dadurch wesentlich verändert werden. Es gibt verschiedene Verfahren zur Gewinnung von Stahllegierungen. Häufig werden elektrische Öfen verwendet, in denen die notwendigen hohen Temperaturen erzielt werden. Legierte Stähle sind hochwertige (veredelte) Stähle.
Tabelle 29 gibt einen groben Überblick über den Einfluß einzelner Legierungsbestandteile auf die Qualität des Stahls.
| Bezeichnung | Eigenschaften | Verwendung |
|---|---|---|
| Nickelstahl | zäh, fest, widerstandsfähig | Weichen, Antriebswellen |
| Chromstahl | hart, spröde, weitgehend rostfrei | Werkzeuge, Magnete |
| V2A-Stahl (Cr-Ni-Stahl) |
hart, zäh | Achsen, Panzerplatten, chem. Geräte, Apparate |
| Cobalt-Wolfram-Stahl | magnetisch | permanente Magnete |
| Wolframstahl | Auch in der Hitze hart | Schnelldrehstahl |
