Vom Erz zum Stahl. Von Andre Hähnel & Tobias Bomkamp

Transkript

1 Vom Erz zum Stahl Von Andre Hähnel & Tobias Bomkamp

2 Inhaltsverzeichnis Das Element Eisen Was ist eigentlich Erz? Herstellung von Roheisen Hochofenprozess Herstellung von Stahl Veredelung zum Stahl Eigenschaften von Stahl Quellen

3 Das Element Eisen ( Fe) Nr. 26 im PSE 4,7 % Massenanteil an Erdhülle Vermutung das der Erdkern komplett aus Fe besteht

4 Das Element Eisen (Fe) Atommasse: 55,845 u Elektronenkonfiguration: [Ar] 3d 6 4s 2 Dichte: 7,874 g/ cm 3 Schmelztemperatur: 1538 C Elektrische Leitfähigkeit: 1*10^7 A/(V*m) Elektronegativität: 1,83 (nach Pauling)

5 Das Element Eisen (Fe) 4 natürliche stabile Isotope: 54 Fe (5,8 %), 56 Fe (91,7 %), 57 Fe (2,2 %) und 58 Fe (0,3 %). Mögliche Oxidationsstufen: Fe 2+, zumeist blass grün, Fe 3+, zumeist intensiv orange/ gelb, Fe 4+ Fe 6+ sehr selten

6 Das Element Eisen (Fe) Polymorph: Je nach Temperatur eine andere Kristallgitterstruktur: bis 911 C kubisch raum-zentriert (α-eisen = Ferrit) Bis 1392 C kubisch flächen zentriert (γ-eisen = Austenit) Bis 1535 C wieder kubisch raum-zentriert (δ-ferrit) Magnetismus: bis 766 C ferromagnetisch Ab dieser Temperatur paramagnetisch

7 Biologische Bedeutung von Fe Eisen zählt mit zu den essentiellen Spurenelementen fast aller Lebewesen Ist Zentralatom im Hämoglobin und Myoglobin Wichtiger Bestandteil von Proteinen Verantwortlich für: Sauerstoffaktivierung, - transport

8 Vorkommen von Eisen In der Natur findet man Fe überwiegend in der Form von Erzen Wenige Fundorte wo Fe gediegen vorliegt Abbau Länder: Brasilien, China, Australien, Russland, Indien (zsm. 70% des Weltbedarfs) Fördermenge: im Jahr Mt ehemals Deutschland, Frankreich, Schweden

9 Geschichte von Eisen Erste Funde vor 4000 Jahre v Chr. (Meteorit -Eisen) v. Chr. Verhüttetes Fe in Mesopotamien v. Chr. vermehrter Einsatz, löste Bronze aber noch nicht ab, danach Übergang von der Bronzezeit in die Eisenzeit In der Eisenzeit wurde erstmals verhüttet, ab da war Eisen elastischer und Härter als Bronze 550 v. Chr. Wurde in China der erste Hochofen entwickelt in Europa erst im 14 Jhd. (Schweden) ermöglicht Gusseisen Ersatz von Holzkohle durch Koks und Erfindung der Dampfmaschine gelten als Beginn der industriellen Revolution Seit dem ist Eisen aus dem Alltag und insbesondere der Industrie nicht mehr wegzudenken.

10 Was ist eigentlich Erz? Eisenerze sind Gemenge aus chemischen Verbindungen des Eisens mit nicht eisenhaltigen Gesteinen. Die Hauptsächlichen Eisenverbindungen im Erz sind Eisenoxide und Eisencarbonate, Eisen Verbindungen mit Schwefel (Pyrite) sind ehr selten

11 Die 3 wichtigsten Erze Magnetit (Fe 3 O 4 ): -eigentliche Strukturformel Fe 3+ [Fe 3+ Fe 2+ ]O 4 inverses Spinell: Fe 3+ ist tetraedrisch koordiniert und Fe 2+ /Fe 3+ ist oktaedrisch angeordnet -Vorkommen: Kann an Stränden gefunden werden (schwarzer Sand), oder in großen natürlichen Lagerstätten in Australien, Skandinavien, USA oder auch in Deutschland -Eisenanteil bis zu 72%

12 Die 3 wichtigsten Erze: Hämatit (Fe2O3): -Eisengehalt bis zu 65% Eisen -Vorkommen: USA, Deutschland, Spanien, Siderit: -Eisengehalt bis zu 60% -Vorkommen Österreich, Frankreich, Deutschland,

13 Hütte Der Hochofenprozess

14 Schematischer Aufbau

15 Herstellung von Roheisen Der Hochofenprozess:

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17 Eigenschaften Roheisen C-Gehalt von ca. 2 % spröde Nur Schmied- und Walz bar wenn C-Gehalt < 2% Störende Begleitelement wie etwa: P, S, Si, O 2

18 Veredelung Das entstandene Roheisen muss weiter bearbeitet werden um den hochwertigen Stahl zu bekommen der in der Industrie gebraucht wird. Dazu werden u.a. folgende Verfahren benutzt: Frischen (Linz-Donawitz-Verfahren) Lichtbogenofen

19 Linz-Donawitz-Verfahren

20 Linz-Donawitz-Verfahren Über eine Sauerstofflanze wird O 2 in flüssiges Roheisen geblasen exotherm Zur Kühlung wird alter Stahlschrott mit hinein gegeben C Si + 2FeO SiO2 + 2Fe Mn + FeO MnO + Fe bilden Schlacke 2P + FeO P2O5 + 5Fe

21 Linz-Donawitz-Verfahren Der Kohlenstoff reagiert mit dem im flüssigen Eisen gelösten Sauerstoff: C + O CO Alle Vorgänge sind exotherm und beheizen die Schmelze Aber: Im Stahl gelöster Sauerstoff verursacht bei Erstarrung des Stahls schädliche oxydische Einflüsse flüssiger Stahl muss desoxidiert werden wirksamstes Desoxidationsmittel: Aluminium 2Al + 3O Al2O3 Entschwefelung durch Ca oder Mg: gelöster Schwefel wird in Sulfide überführt CO und H2 werden durch Entgasung unter vermindertem. Druck entfernt

22 Lichtbogenofen Mit elektrischer und chemischer Energie wird das Roheisen oder Stahlschrott geschmolzen Durch eingesetzten Kalk entsteht wieder eine Schlacken- Schicht die vor weiterer Oxidation schützen soll Erneutes Frischen des Gemisches Wird verwendet da auch Stahlschrott recycelt wird Energetisch günstiger höher wertiger Stahl

23 Eigenschaften von Stahl Die Eigenschaften von Stahl sind immer abhängig von den weiteren Arbeitsschritten. Es gibt 5 Hauptgruppen : Schmiedestücke (z.b. Schraubenschlüssel) Bleche Rohre Profile (T- Träger) Draht

24 Eigenschaften von Stahl So kann Stahl zum einen weich und gut verformbar sein und auf der anderen Seite kann er ebenso sehr hart und spröde sein Durch Legieren, Wärme Behandlungen und Kaltverformen lassen sich die Eigenschaften verändern

25 Ausgewählte Legierungsstoffe Cr : steigert die Verschleißfähigkeit und Zugfestigkeit Ni : steigert die Zähigkeit und Streckgrenze Ti : verhindert interkristalline Korrosion Si : erhöht die Elastizität U.v.m.

26 Fazit Auf Grund der vielen verschiedenen Eigenschaften die beim Stahl je nach Legierung eingestellt werden können gibt es fast keine Einschränkungen für die Benutzung von Stahl Es wird nach Ersatzstoffen geforscht (z.b. Al und Mg Verbindungen oder Kunststoffe) Aber zur Zeit ist der Werkstoff Stahl nicht wegzudenken

27 Fragen???

28 Danke für die Aufmerksamkeit

29 Quellen e/pse-gross.gif Stahl- vom Eisenerz zum Hightech-Produkt, ein Info Film von