Herstellung von Stahl
Roheisen enthält 3,5 - 4,5% Kohlenstoff, dadurch ist es spröde und erweicht beim Erhitzen sofort. Um es in verformbares Eisen zu überführen, also um daraus Stahl zu machen, muss der Kohlenstoff-Gehalt herabgesetzt werden. Der C-Gehalt im Stahl ist meist kleiner als 2%. Stähle sind also Fe-C-Legierungen, die weniger als 2% Kohlenstoff enthalten.
Um Roheisen in Stahl zu überführen, müssen ausserdem noch störende Begleitelemente wie P, S, Si, O2 und Mn auf niedrigere Restgehalte reduziert werden. Dies geschieht durch mehrere Raffinationsprozesse:
Frischen von Stahl
Technisch weit verbreitet ist aber das so genannte LD-Verfahren. Seinen Namen erhielt es nach den Österreichischen Stahlwerken in Linz und Donawitz. Bei diesem Verfahren wird das flüssige Roheisen aus dem Hochofen in einen grossen, schwenkbaren Behälter gefüllt. Dieser Behälter heisst Konverter und fasst ungefähr 300t flüssiges Roheisen. Zusätzlich wird noch Eisenschrott dazugegeben.
Am Anfang der Reaktion steht eine wassergekühlte Lanze, die in die Schmelze des Konverters gehalten wird. Durch diese Lanze wird reiner Sauerstoff mit einem Druck von etwa 10bar geblasen. Sobald die Schmelze kocht, wird Kalk zugegeben. Der Sauerstoff oxidiert mit den Begleitelementen und die entstehenden gasförmigen Oxide (CO, CO2, SO2) entweichen durch die Konverteröffnung in den Abgaskamin oder lagern sich an der Oberfläche der Schmelze ab. Dort bilden sie zusammen mit dem Kalk die Schlacke. Nach etwa einer halben Stunde ist der Gehalt an Fremdelementen in der Schmelze stark gesenkt. Die Schlacke und die Stahlschmelze werden getrennt voneinander abgegossen. Dann folgt der Prozess der Rückkopplung, bei der man noch etwas kohlenstoffhaltiges Eisen hinzu gibt, um den Kohlenstoffgehalt des Stahls zu regulieren, denn dieser darf nicht zu klein sein.
Das zweite wichtige Stahlherstellungsverfahren ist das Elektrostahlverfahren. In einem Elektroofen wird das Roheisen auf Temperaturen um 3000°C gebracht. Dies erreicht man durch anlegen einer Spannung zwischen zwei Graphitelektroden, zwischen denen sich ein Lichtbogen bildet. Neben dem Roheisen wird Schrott zugegeben, dessen Sauerstoffanteil die Begleitelemente oxidiert. Dann setzt man Legierungsmetalle in bestimmten Mengen direkt hinzu, so dass eine Stahllegierung entsteht. Stähle, die im Elektroofen erzeugt wurden, heissen Elektrostähle und sind besonders hochwertig.
Nachbehandlung von Stahl
Beim Frischen kommt der Stahl mit erheblichen Mengen an Sauerstoff in Berührung und ist danach mit Sauerstoff übersättigt. Hohe Sauerstoffgehalte machen den Stahl alterungsanfällig brüchig. Aus diesem Grund muss der Sauerstoff aus dem Stahl entfernt werden, er muss desoxidiert werden.
Wird der Stahl zum Abkühlen in Blöcke gegossen, reagiert der in Form von FeO vorliegende Sauerstoff mit Kohlenstoff. Bei C-Gehalten von mehr als 0,2 % des Stahles wird so ausreichend Sauerstoff abgebunden und aus der Schmelze entfernt. Bei niedrigeren C-Gehalten verbleiben dagegen sehr hohe Sauerstoffmengen im Stahl. Die Desoxidation erfolgt hier über die Zugabe von Elementen, z.B. Mn, V, Si, Ti, B, Al. Je nach Grad der Desoxidation unterscheidet man zwischen unberuhigtem, beruhigtem und vollberuhigtem Stahl.
Bei der Vakuumbehandlung wird der Stahl unter Vakuum vergossen. So können im Stahl verbleibende Gase entweichen und abgesaugt werden.
Weitere Verfahren sind die Spülgasbehandlung und das Umschmelzverfahren.
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