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Vom Roheisen zum Stahl - Реферат

Реферат на тему:
Vom Roheisen zum Stahl
Das im Hochofenprozess entstandene Roheisen ist als Werkstoff leider kaum zu gebrauchen. Es enth?lt verschiedene Verunreinigungen. Diese sind die Elemente Kohlenstoff, Mangan, Silizium, Phosphor, Schwefel u.a., wobei Kohlenstoff mit 3-5% anteilsm??ig wesentlich mehr enthalten ist als die anderen unerw?nschten Begleitelementen. Kohlenstoff und die anderen Verunreinigungen bewirken, dass das Roheisen spr?de (br?chig) wird und sich schlecht schmieden (verformen) l?sst, aber auch, dass es schneller schmilzt als reines Eisen.
Weiterverarbeitung
Das fl?ssige Roheisen aus dem Hochofen wird je nach der Art, in der Kohlenstoff in ihm gebunden ist, in graues und wei?es Roheisen unterteilt. Graues Roheisen wird nach dem Einschmelzen von Schrotteilen in Formen gegossen und hei?t dann Gusseisen. Gegenst?nde aus Gusseisen sind z.B. Kanaldeckel, Heizk?rper, ?fen, Rohre, Motorbl?cke und Maschinenteile. Gegenst?nde aus Gusseisen sind aber spr?de und nicht sehr temperaturbest?ndig. Ihr Vorteil ist, dass sie kaum rosten. Wei?es Roheisen hingegen wird zu Stahl weiterverarbeitet.
Stahl
Die Vorteile des Stahls liegen in seiner guten Verformbarkeit und seiner Hitzebest?ndigkeit. Stahl wird aus Roheisen hergestellt, in dem man den Kohlenstoffgehalt unter etwa 1,7% senkt und die anderen verunreinigenden Elemente weitgehend entfernt. Stahl wird aus diesem Grund auch "veredeltes Eisen" genannt. Dem Stahl kann man noch Elemente beimengen, so dass je nach Art und Menge der Elemente Stahllegierungen mit speziellen Eigenschaften entstehen.
Verfahren zur Stahlherstellung
Der Vorgang, bei dem der Gehalt an Kohlenstoff und anderem Elementen im Roheisen gesenkt wird, wird als Frischen bezeichnet, was nichts anderes bedeutet, als dass die unerw?nschten Begleitelemente oxidiert werden. Relativ unbedeutende Frischverfahren sind das Bessemer-Verfahren und das Thomas-Verfahren, bei denen die Oxidation durch Luft vonstatten geht.
Technisch weit verbreitet ist aber das sogenannte LD-Verfahren. Seinen Namen erhielt es nach den ?sterreichischen Stahlwerken in Linz und Donawitz. Bei diesem Verfahren wird das fl?ssige Roheisen aus dem Hochofen in einen gro?en, schwenkbaren Beh?lter gef?llt. Dieser Beh?lter hei?t Konverter und fasst ungef?hr 300t fl?ssiges Roheisen. Zus?tzlich wird noch Eisenschrott in ihn gegeben. Der Eisenschrott wird zur K?hlung des Konverters ben?tigt. Denn die Reaktion, die zur Umwandlung von Roheisen in Stahl f?hrt, ist exotherm, so dass die Temperatur der Schmelze im Konverter trotz Zugabe von Metallschrott von etwa 1250°C auf etwa 1600°C ansteigt.
Am Anfang der Reaktion steht eine wassergek?hlte Lanze, die in die Schmelze des Konverters gehalten wird. Durch diese Lanze wird reiner Sauerstoff mit einem Druck von etwa 10bar geblasen. Der Sauerstoff oxidiert die Begleitelemente und die entstehenden gasf?rmigen Oxide (die Gase Kohlenmonoxid, Kohlendioxid und Schwefeldioxid) entweichen durch die Konverter?ffnung in den Abgaskamin oder lagern sich an der Oberfl?che der Schmelze ab (alle festen/fl?ssigen Oxide), wo sie zusammen mit vorher zugegebenem Kalkstein die sogen. Schlacke bilden. Nach etwa einer halben Stunde ist der Gehalt an Fremdelementen in der Schmelze stark gesenkt. Die Schlacke und die Stahlschmelze werden getrennt voneinander abgestochen, d.h. aus dem Konverter in einen Transportk?bel gegossen. Dann folgt der Prozess der R?ckkopplung, bei der man noch etwas kohlenstoffhaltiges Eisen hinzu gibt, um den Kohlenstoffgehalt des Stahls zu regulieren, den dieser darf nicht zu klein werden.
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 dann ein sogenannter Lichtbogen bilden. Au?er dem Roheisen wird Schrott zugegeben, dessen Sauerstoffanteil die Begleitelemente oxidiert. Dann setzt man Legierungsmetalle in bestimmten Mengen direkt hinzu, so dass eine Stahllegierung entsteht. St?hle, die im Elektroofen erzeugt wurden, hei?en Elektrost?hle und sind besonders hochwertig.
Stahlsorten
Bei den Stahlsorten lassen sich zwei gro?e Gruppen unterscheiden, die Kohlenstoffst?hle und die Edelst?hle. In beiden F?llen handelt es sich um kohlenstoffhaltiges Eisen, aber Edelst?hle enthalten noch zus?tzlich noch andere Metalle.
Kohlenstoffst?hle sind nichtlegierte Stahlsorten, die ?ber 80% des weltweit erzeugten Stahls ausmachen. Es gibt viele Kohlenstoffst?hle mit unterschiedlichem Kohlenstoffgehalt. St?hle mit einem Gehalt von weniger als 0,25% Kohlenstoff sind leicht verformbar und werden zur Herstellung von Blechen, Konservendosen, Autokarosserien, Dr?hten und N?geln verwendet. Liegt der Kohlenstoffgehalt zwischen 0,25% und 0,7% wird der Stahl h?rter und l?sst sich weniger leicht verformen. Daher wird dieser Kohlenstoffstahl f?r Eisenbahnschienen, im Maschinenbau, sowie im Stahlbau haupts?chlich verwendet. Die h?chste Kohlenstoffkonzentration im Stahl betr?gt 0,7% bis 1,5% - der Stahl ist somit sehr hart und kaum verformbar. Seine Verwendung findet Anwendung in der Chirurgie (Chirurgische Instrumente), in der Werkzeugherstellung, sowie als Rasierklingen und Stahlfedern.
Eigenschaften
Die grundlegenden mechanischen Eigenschaften aller St?hle sind die Verformbarkeit und die Zugfestigkeit. Beide Eigenschaften h?ngen vom Kohlenstoffgehalt des Stahles ab. Es ist aber unm?glich, beide Eigenschaften gleichzeitig in einer Stahlsorte zu optimieren.
Bei niedrigem Kohlenstoffgehalt sind die St?hle leicht verformbar und haben eine geringe Zugfestigkeit.
Bei hohem Kohlenstoffgehalt aber herrschen eine hohe Zugfestigkeit und eine schwere Verformbarkeit vor.
Unterschiede Zwischen Stahl und Gusseisen
Stahl Gusseisen
Kohlenstoffgehalt in %
0,5 bis 1,7 3,2 bis 3,6
Eigenschaften plastisch verformbar
zugfest
schmiedbar
schwei?bar
Formgebung durch Gie?en
geringe Bruch- und Schlagfestigkeit
hart aber spr?de
Verwendung Maschinenteilherstellung
Federherstellung
Autoblechherstellung
Baustahlherstellung Herstellung von
Kanaldeckeln
Heizk?rpern
?fen
R?hren
Motorbl?cken
Maschinenteilen
Einige Legierungen
Name Zusammensetzung
Eigenschaften Verwendung
V2A-Stahl Fe, bis zu 18% Cr,
bis zu 14 % Ni
korossionsfest s?urebest?ndig
sehr hart Werkzeuge, Fahrzeugbau
Invar-Stahl 65% Fe, ca. 35% Ni
geringe W?rmeausdehnung Pr?zisions-messinstrumente
Messing 60-70% Cu, 30-40 Zn
korossionsbest?ndig Maschinenbau
Armaturen
Glockenbronze 80% Cu, 20% Sn
sehr hart, sto?fest Glockenguss
Dural Al, bis zu 5% Cu
(+ Mn, Mg, Si)
korossionsfest Flugzeug- und Fahrzeugbau
Neusilber 73-80% Cu, 15-20% Ni, bis zu 7% Zn
korossionsfest Bestecke, feinmechanische Ger?te
Schnellarbeitsst?hle Fe, 4% Cr, 15% W, 2% V
bei Rotglut hart Werkzeuge
?kologische Aspekte der Stahlherstellung
Vor dem Hintergrund von Klimaver?nderungen durch C02 -Emissionen bedarf es in der Stahlindustrie, die wegen der Koksmetallurgie ein Hauptverwerter fossiler Brennstoffe ist, einer st?ndigen Kontrolle nicht nur der Prozesswirtschaftlichkeit, sondern auch der Umweltvertr?glichkeit und des Energieverbrauchs der eingesetzten Technologien. Dies gilt f?r bestehende Anlagen ebenso wie f?r den Aufbau neuer Kapazit?ten - und zwar global, da (teurer) Umweltschutz nicht durch Standortverlagerung aufgrund laxerer Gesetzgebung in Entwicklungsl?ndern umgangen werden darf.
Prinzipiell bieten sich zwei Ans?tze f?r Stahlerzeuger an: Optimierung der Kreislaufwirtschaft und pr?ventive Abfallwirtschaft durch produktionsintegrierten Umweltschutz.
Die Kreislaufwirtschaft des klassischen Integrierten H?ttenwerkes, das aus Erz und Koks Stahl ?ber die klassische Route - Hochofen, Stahl- und Walzwerk - erzeugt, wurde seit dem Beginn der Industrialisierung st?ndig optimiert. Die bedeutendsten Meilensteine der Nachkriegszeit sind die Entwicklung des Sauerstoff Aufblas-Verfahrens ("LD-Verfahrens") zur Stahlerzeugung und die Einf?hrung des Stranggie?verfahrens. Letzteres l?ste den Blockguss ab und erm?glichte eine Einsparung von weltweit etwa 100 Millionen t Eigenschrott. Trotzdem steigt das Schrottangebot, aber ein Integriertes H?ttenwerk kann da nur begrenzt nachkommen, da im Sauerstoff Aufblas-Verfahren nur etwa ein Viertel der Rohstahlmenge durch Schrott bereitgestellt werden kann. Im Elektrostahlwerk k?nnen hingegen bis 100 Prozent Schrott verarbeitet werden. Obwohl diese Art der Stahlerzeugung nur etwa halb so viel Energie wie das LD-Stahlwerk ben?tigt, exportiert die rohstoffarme Bundesrepublik Deutschland j?hrlich rund 8 Millionen t Stahlschrott.
Der Export des Rohstoffes "Schrott" soll in Zukunft zu Gunsten einer umweltorientierten Kreislaufwirtschaft reduziert werden. Die (noch) geringen Elektrostahlkapazit?ten in Deutschland werden derzeit durch Neubauten in Unterwellenborn, Peine und Georgsmarienh?tte erweitert.
Durch konsequente Stoffflussoptimierung und Restw?rmeausnutzung ist die Stahlerzeugung auf Erzbasis im Integrierten H?ttenwerk bez?glich ihrer Schadstoffbelastung f?r Boden, Luft und Wasser nicht mehr wesentlich zu verbessern. Der Energieverbrauch bei der Stahlherstellung wird haupts?chlich durch das mehrmalige Wiedererw?rmen auf dem Weg von Kokerei bis Warmwalzwerk bestimmt.
Dem Produktionsintegrierten Umweltschutz kann durch intelligente Anwendung und innovative Erzeugung von Stahl nachgekommen werden. Beispielsweise birgt die Entwicklung hochfester
Stahlsorten mit Hilfe moderner St?hle und Konstruktionsmethoden ein erhebliches Energieeinsparungspotential bei der Verwendung als Karosseriewerkstoff. Durch eine optimierte thermomechanische Behandlung lassen sich bereits im Herstellungsprozess, bei der Verarbeitung und Nutzung sowie durch die bestens eingef?hrte Wiederverwertung bilanzielle Vorteile von Stahl als Karosseriewerkstoff ableiten.
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