EL-MO Elemente und Moleküle, Schulbuch

Stahl KM-6: Übertragung – Umgang mit Materie 139 139 Produkte Das Hauptprodukt des Hochofens ist Roheisen. Es enthält neben etwa 4 – 5 % Kohlenstoff noch weitere Elemente wie Mangan, Silicium, Schwefel und Phos- phor. Roheisen kann nicht direkt verwendet werden, da es durch den hohen Kohlenstoffgehalt extrem hart und spröde ist und nicht bearbeitet werden kann. Die Verarbeitung zu Gusseisen (etwas geringerer Kohlenstoffgehalt, ho- her Gehalt an Silicium) spielt nur mehr eine untergeordnete Rolle. Heute wird praktisch das gesamte Roheisen zu Stahl verarbeitet. Stahl Zur Stahlerzeugung werden dem Roheisen Kohlenstoff und die unerwünschten Begleitelemente durch Oxidation entzogen. Dies nennt man Frischen. Es erfolgt heute fast ausschließlich nach dem in Österreich 1949 entwickelten LD-Verfah- ren, das nach den Stahlerzeugungsstandorten Linz und Donawitz benannt wur- de. Die Stahlproduktion erfolgt weltweit zu 72 % nach diesem Verfahren. LD-Verfahren Das Roheisen kommt in einen Konverter, der bis zu 300 t fasst. Dann setzt man Schrott und als Zuschlag gebrannten Kalk zu. Mit einem wassergekühlten Rohr (Lanze) bläst man reinen Sauerstoff mit 8 – 10 bar Druck auf die Schmelze. Der Kohlenstoff verbrennt zu Kohlenstoffmonoxid, das an der Konvertermündung mit Luft zu Kohlenstoffdioxid weiterverbrennt. Auch die Begleitelemente Man- gan, Silicium und Phosphor verbrennen. Ihre Oxide reagieren mit dem zugesetz- ten Calciumoxid zu Schlacke. Die Aufblaszeit beträgt 10 – 20 Minuten. In dieser Zeit steigt durch die exother- men Reaktionen die Temperatur stark an. Um zu hohe Temperaturen zu vermei- den, wird ca. 25 % Schrott zugesetzt. Er verbraucht Schmelzwärme. Elektrostahl-Verfahren Die übrigen 28 % des Stahls werden nach dem Elektrostahl-Verfahren erzeugt. Ausgangsstoff ist hier Schrott, also Altstahl, der durch elektrische Lichtbögen eingeschmolzen wird. Auch Edelstähle werden so erzeugt. Beim Einschmelzen werden hier die Legie- rungsmetalle zugesetzt. Dabei sind Nickel, Mangan, Chrom und Vanadium die wichtigsten Zusätze. Sie verbessern vor allem die Härte und die Korrosionsbe- ständigkeit. Bedeutung und Verwendung von Stahl Die große Bedeutung des Stahls liegt in seiner vielfältigen Bearbeitbarkeit. Aus Stahl lassen sich Maschinenteile direkt gießen. Durch Schmieden lässt sich Stahl im heißen Zustand plastisch verformen. Erhitzter Stahl kann zu nahtlosen Rohren verformt werden. Durch Walzen in heißem und auch in kaltem Zustand erzeugt man Bleche. Wenn Stahl mehr als 0,5 % Kohlenstoff enthält, können die Werkstücke nach ihrer Herstellung gehärtet werden. Der Kohlenstoff liegt im Stahl als Zementit Fe 3 C vor. Erhitzt man Stahl auf über 1000 °C, so löst sich der Zementit im Eisen. Diese Lösung zerfällt aber beim langsamen Abkühlen wieder. Wird der erhitzte Stahl aber abgeschreckt (Eintauchen in kaltes Wasser), so bleibt die Lösung erhalten. Sie wird Martensit genannt und bewirkt eine sehr große Härte. Ein solcher Stahl ritzt zB Glas. Allerdings ist der so behandelte Stahl sehr spröde. Um die Sprödigkeit zu verringern, wird der Stahl nach dem Abschrecken erwärmt. Dies nennt man Anlassen. Dabei nimmt die Härte wieder etwas ab. Stahl mit zu geringem Kohlenstoffgehalt kann nicht gehärtet werden und wird Weichstahl genannt. Ein wichtiger Bereich der Stahlprodukte sind legierte Edelstähle. Nickel ver- bessert die Zähigkeit des Stahls, Chrom die Härte. Ein mit Chrom und Nickel legierter Stahl ist weitgehend säurebeständig und rostfrei. Er wird als Nirosta („Nichtrostender Stahl“) bezeichnet. Werkzeugstähle enthalten meist Chrom und Vanadium. Wolfram wird verwendet, wenn Stahl bei hoher Temperatur sei- ne Härte behalten muss. Manganstähle setzt man für starkem Verschleiß unter- worfene Teile, wie Steinbrecher, ein. Abb. 139–1: Schema des LD-Verfahrens Roheisen Schrott Sauerstoff Rohstahl Schlacke Füllen Blasen Stahl abgießen Schlacke abgießen Konverter Schüler-Experiment 6.3 Anlassen von Stahl VS Roheisen SCHROTT Schlacke ROHSTAHL oder EDELSTAHL Füllen Schmelzen Schlacke abgießen Rohstahl abgießen Kohle- Elektroden Abb. 139–2: Schema des Elektrostahl- Verfahrens Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv