Eisen. Vorkommen. Eisen Stahl

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1 88 XXII. Eisen Stahl Eisen Vorkommen. Das Eisen ist am Aufbau der Erdrinde zu 4,7 % beteiligt. Aus der Dichte der Erde schließt man auf einen hohen Eisengehalt des Erdkerns (Ni-Fe-Kern). Gediegenes (reines) Eisen kommt selten vor und hat für die Gewinnung keine Bedeutung. Die häufigsten Eisenmineralien zeigt Tabelle Sehr selten kommt Eisen gediegen vor. Das Mineral kristallisiert dann im kubischen Kristallsystem, hat eine Mohs-Härte von 4,5 und eine stahlgraue bis schwarze Farbe. Auch die Strichfarbe ist grau. Wegen der Reaktion mit Wasser und Sauerstoff (Rosten) ist gediegenes Eisen nicht stabil. Es tritt daher in Legierung mit Nickel nur in Eisenmeteoriten auf sowie in Basalten, in denen es manchmal zu einer Reduktion von eisenhaltigen Mineralen kommt. Eisenerze findet man dagegen vergleichsweise häufig, wichtige Beispiele sind Magnetit (Fe3O4), Roteisenstein, Hämatit (Fe2O3), Brauneisenstein (Fe2O3 n H2O), Siderit (FeCO3), Magnetkies (FeS) und Pyrit (Eisenkies) (FeS2). mms 06/06/10 88

2 89 Förderung Eisenerz wird im Tagebau und im Tiefbau (Untertagebau) gewonnen. Dort, wo die als abbauwürdig erkannten Eisenerzlagerstätten offen zutage treten, kann das Erz im weniger aufwändigen Tagebau gewonnen werden. Heute wird Eisenerz hauptsächlich in Südamerika, besonders Brasilien, im Westen Australiens, in der Volksrepublik China, in Ost-Europa (beispielsweise Ukraine) und Kanada auf diese Weise abgebaut. Nach der Förderung werden die Eisenerze am Abbauort aufbereitet und dabei von dem größten Teil der Gangart getrennt. Dadurch werden die Kosten für den Transport und die Weiterverarbeitung erheblich gesenkt. Bei der Aufbereitung des Eisenerzes wird das Rohmaterial zuerst in mehreren Schritten zerkleinert. Als Zerkleinerungsaggregate kommen Kegelbrecher oder Backenbrecher sowie Mühlen wie zum Beispiel Kugelmühlen zum Einsatz. Wenn ein genügend großer Aufschluss hergestellt ist erfolgt die weitere Sortierung. Mögliche Verfahrensschritte sind Flotation und Magnetscheidung. Im Anschluss daran wird das Eisenerzkonzentrat zu Eisenerzpellets weiterverarbeitet. mms 06/06/10 89

3 90 Schematische Einteilung der Stoffe Reinstoff Als Reinstoff bezeichnet man in der Chemie einen Stoff, der einheitlich zusammengesetzt ist und damit aus nur einer "Teilchensorte" besteht. Reinstoffe können mit physikalischen Trennverfahren nicht weiter aufgeteilt werden. Eine weitere Aufteilung gelingt jedoch bei vielen Reinstoffen mit chemischen Zerlegungsverfahren. Eigenschaften von Reinstoffen Reinstoffe können Elemente oder Verbindungen sein. Reinstoffe haben klar definierte physikalische Eigenschaften, die zur Charakterisierung verwendet werden, z. B. * Schmelzpunkt (Schmelztemperatur) * Siedepunkt (Siedetemperatur) * Dichte * Brechzahl * elektrische Leitfähigkeit * Wärmeleitfähigkeit * Löslichkeit in einem Lösemittel Das Ideal eines Reinstoffes ist in der Praxis nicht erreichbar. Für handelbare Reinstoffe (Chemikalienhandel) gelten deshalb eine Reihe von Reinheitsdefinitionen, z. B. "pro analysi", "reinst", "Nach DAB (Deutsches Arzneimittel-Buch)" etc. Diese Definitionen sind meist zweckgebunden und werden durch den Abdruck einer Analyse derjenigen Verunreinigungen ergänzt, die für den jeweiligen Verwendungszweck des Reinstoffes von besonderer Bedeutung sind. mms 06/06/10 90

4 91 Die bedeutendsten Eisenproduzenten Diese Länder verdrängten in den letzten Jahren die ursprünglich bedeutendsten Eisenerz- Förderländer wie Frankreich, Schweden und Deutschland, dessen letzte Eisenerzgrube in der Oberpfalz 1987 geschlossen wurde. Nur ein kleiner Teil der Erze kann als Stückerz direkt im Hochofen eingesetzt werden. Der Hauptanteil der Eisenerze wird als Feinerz in einer Sinteranlage zu Sinter verarbeitet, denn nur in dieser Form als gesinterte grobe Brocken ist der Einsatz im Hochofen möglich, da das feine Erz die Luftzufuhr (Wind) sehr beeinträchtigen oder sogar verhindern würde. Gröbere Erzkörner werden nach ihrer Größe sortiert und gesintert. Kleine Erzkörner müssen dazu gemeinsam mit Kalkzuschlagsstoffen auf mit Gas unterfeuerte, motorisch angetriebene Wanderroste (Rost-Förderbänder) aufgebracht und durch starke Erhitzung angeschmolzen und dadurch zusammengebacken (gesintert) werden. Sehr feines Erz wird pulverfein aufgemahlen, was oft bereits zur Abtrennung von Gangart nötigt ist. Dann wird es mit Kalkstein, feinkörnigem Koks (Koksgrus) und Wasser intensiv vermischt und auf einen motorisch angetriebenen Wanderrost aufgegeben. Durch den Wanderrost werden von unten Gase abgesaugt. Von oben wird angezündet und eine Brennfront wandert von oben nach unten durch die Mischung, die dabei kurz angeschmolzen (gesintert) wird. Ein wesentlicher Anteil der Erze wird jedoch zu Pellets verarbeitet. Hierzu wird mit Bindemitteln, Zuschlägen und Wasser eine Mischung erzeugt, die dann auf Pelletiertellern zu Kügelchen von 10 bis 16 mm Durchmesser gerollt wird. Diese werden auf einem Wanderrost mit Gasbefeuerung zu Pellets gebrannt. Sinter ist nicht gut transportierbar und wird deshalb im Hüttenwerk erzeugt, Pelletanlagen werden meist in der Nähe der Erzgruben betrieben. mms 06/06/10 91

5 92 Reduktion im Hochofen Im Hochofen-Prozess wird dem Eisenoxid durch chemische Reaktion mit Kohlenstoff und Kohlenmonoxid der Sauerstoff entzogen. Man nennt diese Art von Reaktion Redoxreaktion. Dabei werden auch andere Oxide, zum Beispiel Mangandioxid und Siliciumdioxid, reduziert. Ferner nimmt das Eisen Kohlenstoff auf. Darum entsteht im Hochofenprozess kein reines, sondern Roheisen, das Kohlenstoff, Silicium, Mangan, Phosphor und Schwefel enthält. Anschließend wird aus dem Roheisen Stahl erzeugt Der Hochofenprozeß. Siderit und Pyrit werden vor der Verarbeitung zu Eisen in Oxide umgewandelt (Rösten). Die Darstellung des Eisens erfordert dann im Prinzip die Reduktion der Eisenoxide. Sie erfolgt mit Koks im Hochofen. Der Hochofen wird beschickt mit Hüttenkoks, Eisenerz und zur Beseitigung des tauben Gesteins, der Gangart, mit Zuschlägen. Diese verbinden sich mit der Gangart zu Schlacke. Die für den Hochofen notwendige Luft (»Wind«) wird in Winderhitzern - das sind etwa 15 m hohe Türme - auf C erhitzt. Sie entzündet den Koks, der zu Kohlenmonoxid verbrennt: 2C + O2 2CO + 110,5 kj Das aufsteigende Kohlenmonoxid reduziert in der darüberliegenden Erzschicht die Oxide zu Eisen. 25,56 kj + Fe2O3 3CO + 2Fe + 3CO2 Das entstandene Kohlendioxid wird in der folgenden Koksschicht wieder reduziert (Gleichgewichtsverschiebung durch hohe Temperaturen!). 173 kj + CO2 + C 2CO In den oberen, weniger heißen Zonen des Hochofens oder unter dem katalytischen Einfluß des Eisens entsteht auch im unteren Teil Kohlenstoff in fein verteilter Form, der eine ausgezeichnete Reduktionswirkung hat. 497,35 kj + Fe2O3 + 3C 2Fe + 3CO mms 06/06/10 92

6 93 Der Hochofen In den Hochofen werden fortlaufend schichtweise Koks und Möller eingefüllt. Während des langsamen Absackens zur eigentlichen Reaktionszone erwärmt sich da Gemisch mehr und mehr. Alle 2 Stunden erfolgt ein Hochofenabstich. mms 06/06/10 93

7 94 Gleichzeitig drückt man in den unteren Teil des Hochofens den auf C vorgewärmten Heißwind, so dass die Luft (+Heizöl) im Inneren des Hochofens nach oben strömt. Von der heißen Luft wird der Kohlenstoff des glühenden Kokses zu CO2 verbrannt, dieser setzt sich jedoch sofort mit dem Koks wieder zu CO um. Dieser Vorgang vollzieht sich im stetigen Wechsel bis etwa zur halben Höhe des Schachtes und hört dann wegen der zu niedrigen Temperatur auf. Alle 2 Stunden erfolgt ein Hochofenabstich. Zuerst fließt das schwere Roheisen aus dem Stichloch, dann die leichtere Schlacke, die im Hochofen auf dem Roheisen schwimmt. Das Roheisen wird in so genannte Torpedowagen zur Weiterverarbeitung transportiert oder es wird flüssig in Roheisenpfannen zum Mischer gebracht. Der Mischer ist ein waagerecht liegender ausgemauerter Zylinder, der um seine Längsachse drehbar ist. Je nach Ausführung hat der Mischer ein Gewicht von bis zu t. Der Mischer hat im Wesentlichen folgende Aufgaben: * Sammelbehälter für das Stahlwerk * Mischung der nie ganz gleichen Abstiche * Schwefelverminderung (fortlaufend langsame Umsetzung von Mangan (Mn) + FeS zu MnS + Fe. MnS ist leichter als Fe und setzt sich in der Schlacke ab. Dies wird beschleunigt durch die Zugabe von Soda, Calciumcarbid oder Magnesium. Zusätze zur Reduzierung des Phosphors (kalkhaltige Flussmittel) oder Silizium sind möglich. Die gebundenen Stoffe schwimmen dann auf und können als Schlacke abgegossen werden. Das entstehende Roheisen (1320 C) enthält folgende Bestandteile: * 3 5% C * 0,2 2% Fe * 0,2 3% Mn * 0,1 2% P * 0,02 0,06% S mms 06/06/10 94

8 95 Das den Hochofen beim»abstich«verlassende Eisen, das Roheisen, enthält neben Kohlenstoff noch Verunreinigungen von Silicium, Mangan, Phosphor und Schwefel. Wird der Kohlenstoff in Form von Graphit abgeschieden, ist die Bruchfläche des Roheisens grau: graues Roheisen. Es ist spröde und daher nicht schmiedbar, eignet sich aber gut zum Gießen von Formen (Gußeisen). Auch durch Bohren und Drehen kann es bearbeitet werden. Hat sich im Roheisen der Kohlenstoff chemisch zu Fe3C (Eisencarbid) verbunden, hat das Roheisen eine glänzend weiße Bruchfläche: weißes Roheisen. Dieses Eisen läßt sich weder gießen noch mechanisch bearbeiten; es wandert in die Stahlwerke zur Weiterverarbeitung. mms 06/06/10 95

9 96 Stahlerzeugung "Stahl" ist seiner ursprünglichen Bedeutung nach ein schmiedbares Eisen höherer Festigkeit, das man härten kann. Dies ist beispielsweise bei Messern oder Werkzeugstählen erforderlich. Im allgemeinen Sprachgebrauch hat sich jedoch in den letzten Jahren das Wort "Stahl" auch für das gesamte schmiedbare Eisen eingebürgert. Es ist nicht ganz einfach, eine eindeutige Grenze zwischen Eisen und Stahl zu ziehen. Mit Eisen bezeichnen wir heute nur das Roh- oder Gusseisen, das mehr als 2 % Kohlenstoff enthält. Durch Verringerung des Kohlenstoffgehalts kann man das im festen Zustand spröde Roheisen in den schmiedbaren Stahl umwandeln, der beim Erhitzen vor dem Schmelzen in einen duktilen, d. h. durch Dehnen und Hämmern verformbaren, plastischen Zustand übergeht, während Roheisen sich in diesem Temperaturbereich spröde verhält. Eisen mit weniger als 2 % Kohlenstoffanteil wird als Stahl bezeichnet. Je nach Verwendung wird zur Verbesserung der Gebrauchsfähigkeit die Festigkeit oder Zähigkeit des Stahls gesteigert. Daher wird er meist mit anderen Metallen wie zum Beispiel Mangan, Silizium oder Chrom legiert. mms 06/06/10 96

10 97 Verfahren zur Stahlerzeugung Das am weitesten verbreitete Verfahren ist das Linz-Donawitz- Verfahren(LD)- oder Sauerstoffaufblas-Verfahren. In den LD- Konverter werden flüssiges Roheisen und Stahlschrott eingefüllt und Schlackenbildner hinzugegeben. Über eine Lanze wird Sauerstoff auf die Schmelze geblasen. Dabei verbrennen im Stahl unerwünschte Begleitelemente wie Schwefel, Phosphor, Kohlenstoff usw. und gehen in das Rauchgas oder die Schlacke über. Die Vollständigkeit der Entfernung lässt sich mit dem Baumannabdruck ermitteln. Durch die mit der Verbrennung verbundene enorme Wärmeentwicklung wird der beigegebene Schrott aufgeschmolzen. Siemens-Martin-Ofen Der Siemens-Martin- Ofen war die bevorzugte Stahlherstellungsmethode, von seiner Erfindung 1864 durch Friedrich Siemens und Wilhelm Siemens und seiner Umsetzung zusammen mit Pierre-Émile Martin, bis in die erste Hälfte des 20. Jahrhunderts. Der SM-Ofen besteht aus dem Oberofen, mit dem vom Gewölbe überspanntem Schmelzraum und dem Unterofen. Im Oberofen wird flüssiges Roheisen, Roheisenmasseln oder der Schrott chargiert. Im Unterofen sind die Regenerationskammern zur Luft- und Gasvorwärmung untergebracht. Im Oberofen wird mit öl- oder gasbetriebenen Brennern der Schmelzraum beheizt. Die Reduktion des Kohlenstoffs (Frischen) erfolgt durch den Sauerstoffüberschuss der Brennerflamme oder durch Zugabe von Eisenerz. Das Verfahren wurde inzwischen durch Sauerstoffblasverfahren verdrängt wurde in Brandenburg an der Havel der letzte deutsche SM-Ofen stillgelegt. Er ist heute als technisches Denkmal erhalten. mms 06/06/10 97

11 98 Linz-Donawitz-Verfahren Im Linz- Donawitz- oder LD-Verfahren wird durch eine Lanze Sauerstoff auf das Schmelzbad im Konverter geblasen, so werden unerwünschte Begleitstoffe oxidiert und können dann als Schlacke abgestochen werden. Durch Zugabe von Schrott und Erz kann der Roheiseneinsatz verringert und die Schmelze gekühlt werden. In den Konverter muss flüssiges Roheisen chargiert werden, da das Verfahren die Einsatzstoffe nicht aufschmelzen kann. Der fertige Stahl wird durch Kippen des Konvertergefäßes in Pfannen abgestochen. Das Verfahren ist benannt nach den Standorten Linz und Donawitz der österreichischen Unternehmen VÖEST und Alpine Montan beide inzwischen fusioniert zur Voestalpine die dieses Verfahren entwickelten. Inzwischen existieren mehrere Varianten des LD-Verfahrens, bei dem etwa gleichzeitig Sauerstoff und anschließend Argon durch Bodendüsen eingeleitet werden (engl.: Lance Bubbling Equilibrium, LBE). mms 06/06/10 98

12 99 Elektrostahlverfahren Bei den Elektrostahlverfahren wird die zum Schmelzen erforderliche Wärme durch einen Lichtbogen oder durch Induktion erzeugt. Der Lichtbogenofen wird mit Schrott, Eisenschwamm und Roheisen beschickt. Außerdem werden noch Kalk zur Schlackenbildung und Reduktionsmittel zugegeben. Der von den Graphitelektroden zum Schmelzgut verlaufende Lichtbogen erzeugt Temperaturen bis zu 3500 C. Deshalb können auch schwer schmelzbare Legierungselemente wie Wolfram und Molybdän als Ferrolegierungen eingeschmolzen werden. Mit Lichtbogenöfen können alle Stahlsorten hergestellt werden, sie werden aber hauptsächlich auf Grund der hohen Kosten zur Herstellung von Qualitäts- und Edelstählen benutzt. mms 06/06/10 99

13 100 Eisenlegierungen: Zusammensetzung, Eigenschaften und Verwendung Als Legierung wird ein Gemisch von zwei Stoffen bezeichnet, von denen mindestens eine Komponente ein Metall ist. Durch das Mischen werden die Eigenschaften des Grundmetalls beeinflusst. So haben die meisten Legierungen eine größere Härte und sind rostbeständiger. mms 06/06/10 100

14 101 Stahprodukte Stahl wird oft in Brammen gelagert und nach nochmaligem Erwärmen zu Formstahl, Rohren, Drähten und Blechen gewalzt mms 06/06/10 101

15 102 Oxidation von Eisen (Rost) Chemisch reines Eisen ist ein verhältnismäßig weiches, unedles Metall, das von verschiedenen. Säuren leicht zerstört wird. An feuchter Luft rostet Eisen. Der Rostvorgang ist ein kompliziert ablaufender Oxidationsprozeß, an dem Wasser, Sauerstoff und Kohlendioxid beteiligt sind. Säuredämpfe begünstigen das Rosten; deshalb sind in Labors, aber auch in Industriebetrieben Geräte und Konstruktionen aus Eisen besonders rostgefährdet. Gegen das Rosten schützen Überzüge aus Kunststoffen (Teflon), Metallen (Zink, Zinn), Farbanstriche oder Einölen. liertes Geschirr ist mit einer Glasschicht, der le, bedeckt. Schülerblatt (Siehe FK-EisenStahl-Schuelerblatt! mms 06/06/10 102