Technische Herstellung von Stahl

 
Roheisen wird durch Reduktion von oxidischen Eisenerzen mit Koks gewonnen. Dabei bezeichnet man Eisen mit einem Kohlenstoffgehalt von über 1,7% als Roheisen und Stahl ist Eisen mit einem Kohlenstoffgehalt unter 1,7%. Im Jahre 2000 betrug die Weltproduktion von Eisen 567.000.000 Tonnen (wobei 98% über den Hochofenprozess gewonnen wurden).
Ein Hochofen wird von oben abwechselnd mit einer Schicht aus Koks und einer Schicht aus Eisenerz beschickt. Je nach Zusammensetzung der Erze werden Beimengungen zugegeben um die Verunreinigungen zu verschlacken. Von unten wird 1000-1300°C heiße Luft in den Ofen eingeblasen. An der Einblasstelle verbrennt der Koks zunächst zu Kohlenstoffdioxid dabei werden Temperaturen von bis zu 2300°C erreicht. Bei diesen Temperaturen reagiert der Kohlenstoffdioxid sofort mit dem Koks gemäß des Bouduard-Gleichgewicht.

Verbrennen des Koks: C + O2 → CO2                ΔH0=-394 kJ/mol

Bouduard-Gleichgewicht:

CO2 + C 2CO  ΔH0= +173kJ/mol

Das Gas kühlt sich dadurch ab, sodass die Temperatur im unteren Teil des Hochofens nur noch bei 1600°C liegt. Die oxidischen Eisenerze werden vom entstehenden CO nun stufenweise reduziert. Im unteren Teil des Ofens liegt das Eisenerz schon zum großen Teil als Wüstit vor FeO.
FeO + CO → Fe + CO2                                            ΔH0= -17kJ/mol

Das entstandene CO2 wandelt sich in der darüber liegenden Koksschicht wieder (gemäß des Bouduardgleichgewichts) in CO um. Dieser Vorgang wird als direkte Reduktion bezeichnet.

 
In den darüber liegenden Schichten ist (bei 900-1000°C) die Temperatur nicht mehr ausreichend groß um das Bouduardgleichgewicht zu bedienen, sodass hier nur noch eine Reduktion der Eisenerze unter Bildung von CO2 erfolgt:

3 Fe2O3 + CO → 2Fe3O4 + CO2                               ΔH0= -47 kJ/mol

Fe3O4 + CO → 3FeO + CO                                   ΔH0= +37kJ/mol

Ganz oben im Hochofen erfolgt keine weitere Reduktion. Das entweichende Gas besteht aus 55% Stickstoff, 30% Kohlenstoffmonoxid und 15% Kohlenstoffdioxid.

Im flüssigen Eisen lassen sich maximal 4,3% Kohlenstoff lösen, sodass der Schmelzpunkt auf 1150°C abgesenkt wird (statt 1539°C).

Das flüssige Eisen wird unten aus dem Hochofen genommen und wird durch die leichtere Schlacke vor Oxidation geschützt.

   
technische Erzeugung von Stahl:
Werkzeugstahl: bei 800°C abgeschreckter Stahl mit Kohlenstoffgehalt von 0,4-1,7%.
Baustahl: nichthärtbarer Stahl C-Gehalt weniger als 0,4%.
Härtung beruht darauf, dass eine Mischung von α-Eisen und Cementit (Fe3C) beim Erhitzen in eine feste Lösung von Kohlenstoff in γ-Eisen übergeht, welche beim Raschen Abkühlen (wobei γ-Eisen in α-Eisen übergeht) als metastabile Phase (Martensit) zurückbleibt. Der Stahl wird dadurch härter und elastischer.
Welches Verfahren zur Aufbereitung des Roheisen gewählt wird hängt vom späteren Einsatzgebiet des Metalls ab.
Reines Eisen mit einem Kohlenstoffgehalt unter 0,4% erhält man nach dem Windfrischverfahren.

 
Winfrischverfahren:
In einem Tiegel wird das Roheisen bei 1300°C geschmolzen und anschließend durch hunderte Bodenlöcher oder mit einem verstellbaren Rohr mit Sauerstoff oder Luft (7-10bar) versetzt.
Dabei werden die Verunreinigungen (C, P, Si, Mn, S) oxidiert, wobei man die Oxidschlacke und reines flüssiges Eisen erhält. Das Verfahren beruht darauf, dass die Verunreinigungen vor dem Eisen oxidiert werden.
Je nach Verunreinigung müssen spezielle Tiegel verwendet werden. Bei phosphorhaltigen Roheisen wird ein basischer Tiegel (Calcium- oder Magnesiumoxid) und das Roheisen muss mit einem Kalkzuschlag versetzt werden, um zu verhindern, dass der Phosphor durch das Eisen zurückreduziert wird (es bildet sich Calciumphosphat).
Roheisen ohne Phosphor kann in sauren Tiegeln (Quarz-Ton-Material) verblasen werden.
Der Konvertor wird direkt mit dem flüssigen Eisen befüllt. Der Tiegel wird etwa zu 1/7 befüllt. Durch die Verbrennung der Verunreinigungen entsteht Wärme welche die Abkühlung durch das Einblasen des Sauersstoffs entsteht mehr als kompensiert.
 
Reaktionen:
Si + O2 → SiO2
P + 1 ¼ O2 → ½ P2O5
C + O2 → CO2
Mn + ½ O2 → Mn
Fe + ¾ O2 →1/2 Fe2O3
S + O2 → SO2
Der Vorgang ist nach einer viertel Stunde abgeschlossen. Danach wird die Schlacke abgegossen und dem reinen Eisen wird kohlenstoffhaltiges Ferromangan zur Rückkohlung zugefügt. Dabei dient das Mangan zur Desoxidationsmittel für das entstandene FeO (macht den Stahl brüchig):

FeO + Mn → MnO + Fe

 
Die entstandene Schlacke (Thomas-Schlacke) kann direkt auf den Markt als Düngemittel gebracht werden. Sie enthält eine Reihe von Phosphatsilikaten (Ca5(PO4)2[SiO4])
 
Herdfrischverfahren
Ein weiteres Verfahren zur Herstellung von Stahl ist das Herdfrischverfahren (Siemens-Martin-Verfahren). Bei diesem Verfahren wird der Kohlenstoff langsam oxidiert, so dass man bei dem gewünschten Kohlenstoffgehalt den Vorgang beenden kann.
Dabei wird sauerstoffhaltiges Flammengas über das 1500°C heiße Roheisen geleitet, wobei man oxidische Eisenerze oder Schrott zugibt. Dieser wird zu  elementarem Eisen reduziert. Man verwendet für den Vorgang einen basischen Trog. Hinzu wird immer Kalk gegeben um Phosphorverunreinigungen abzuscheiden.

 

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