Eisen- und Stahlproduktion: Prozesse, Produkte und Umweltauswirkungen

Eisenmetalle (Ferrometalle)

Eisenmetalle sind Metalle, die Eisen als Hauptbestandteil haben.

Arten von Eisenerzen

• Magnetit
• Hämatit
• Limonit
• Siderit

Diese Eisenerze sind reichlich vorhanden und enthalten einen hohen Anteil an reinem Eisen.

Stahlerzeugungsprozesse

Stahl wird hauptsächlich durch zwei Prozesse erzeugt:

• Hochöfen: Verwendung von Eisenerz.
• Elektrolichtbogenöfen (E-Herd): Verwendung von Schrott.

Rohstoffe und Vorbereitung für den Hochofen

Eisenerz

• Vorbehandlung: Brechen und Mahlen zur Trennung von nützlichem Material und Gangart.

Koks (Kohlenstoff)

• Herstellung: Separat aus Kohle.
• Aufgaben:
  • Lieferung der notwendigen Hitze zum Schmelzen des Erzes und zur Reduktion von Eisenoxid zu Eisen.
  • Tragen des Gewichts der Rohstoffe, um ein Zusammensacken zu verhindern und den Gasfluss zu ermöglichen.

Flussmittel (Kalk)

• Aufgaben:
  • Chemische Reaktion mit Verunreinigungen zur Bildung von flüssiger Schlacke.
  • Senkung des Schmelzpunktes der Verunreinigungen, um die Schlacke flüssig zu halten.

Umwandlung von Roheisen zu Stahl

Die Umwandlung von Roheisen zu Stahl erfolgt durch die Entfernung von Verunreinigungen in speziellen Veredelungsöfen. Das am häufigsten eingesetzte Verfahren ist der Konverter, insbesondere das LD-Verfahren (Linz-Donawitz-Verfahren).

Einsatzstoffe für Elektrolichtbogenöfen

• Schrott: Muss frei von anderen Nichteisenmetallen (z.B. Kupfer, Aluminium, Blei) sein.
• Flussmittel: Häufig Kalkstein.
• Legierungselemente: Nickel (Ni), Chrom (Cr), Molybdän (Mo) und andere.

Gießen von Stahl

Konventionelles Gießen

• Flüssiger Stahl wird in Formen gegossen, um die gewünschte Stückform zu erhalten.
• Das Metall kühlt ab und das fertige Stück wird entnommen.

Strangguss (Kontinuierliches Gießen)

• Modernes und wirtschaftliches Verfahren.
• Flüssiger Stahl wird in eine bodenlose Kokille mit gekrümmtem Querschnitt gegossen, um kontinuierlich Halbzeuge zu erzeugen.

Blockguss (Ingotguss)

• Wird angewendet, wenn die Produktnachfrage gering ist.
• Stahl wird in Kokillen gegossen und zu Blöcken (Ingots) abgekühlt.
• Die Ingots werden gelagert, bis die Nachfrage steigt.

Walzwerke und Walzverfahren

In Walzwerken wird verfestigter Stahl zwischen zwei Walzen geführt, die sich mit gleicher Geschwindigkeit, aber in entgegengesetzter Richtung drehen. Dieser Prozess erhöht die Länge des Materials und verringert seinen Querschnitt.

Arten des Walzens

• Warmwalzen: Bei Temperaturen um 1000 °C.
• Kaltwalzen: Bei Umgebungstemperatur.

Klassifizierung von Eisenwerkstoffen

Reineisen

• Kohlenstoffanteil: Zwischen 0,01% und 0,03%.
• Eigenschaften: Sehr weich, schwer zu gewinnen, wenige industrielle Anwendungen.

Stähle

• Definition: Eisen-Kohlenstoff-Legierungen, die weitere chemische Elemente enthalten können.
• Kohlenstoffanteil: Zwischen 0,03% und 1,76%.

Gusseisen

• Definition: Eisen-Kohlenstoff-Legierungen, die weitere chemische Elemente enthalten können.
• Kohlenstoffanteil: Zwischen 1,76% und 6,67%.

Graphitische Produkte

• Kohlenstoffanteil: Größer als 6,67%.
• Eigenschaften: Sehr zerbrechlich, kaum praktische Anwendungen.

Arten von Stahl

Unlegierter Stahl

• Definition: Der Anteil der Legierungselemente liegt unterhalb der festgelegten Grenzwerte (z.B. < 0,6% Mangan, < 0,7% Silizium).

Legierter Stahl (Sonderlegierung)

• Definition: Enthält neben Eisen und Kohlenstoff weitere Legierungselemente oberhalb der Grenzwerte für unlegierten Stahl.

Kommerzielle Stahlprodukte

Bleche

• Beschreibung: Gewalzte Flachprodukte.
• Typische Maße: Von 1x2 m bis 3x3 m.

Stangen

• Beschreibung: Massive, längliche Produkte mit variablen Querschnitten.

Profile

• Beschreibung: Hohl- oder Massivkörper mit variablen Querschnitten.
• Länge: Variiert typischerweise zwischen 5 und 12 Metern.

Umweltauswirkungen der Eisen- und Stahlproduktion

Gewinnung von Rohstoffen

• Tagebau: Akustische und landschaftliche Auswirkungen, Zerstörung von Lebensräumen.
• Koksproduktion: Emissionen von CO, CO2, Ammoniakdämpfen und anderen Schadstoffen.

Produktionsprozesse (Erzaufbereitung bis Endprodukt)

Emissionen und Verunreinigungen

• Schwermetalle: Quecksilber, Cadmium, die Luft, Wasser und Boden belasten.
• Abgase und Staub: Aus Hochöfen und Elektrolichtbogenöfen (CO, CO2, NOx, SOx).
• Weitere Verunreinigungen: Schlämme aus der Gasreinigung, mit Säuren und Ölen verunreinigtes Abwasser, Lärm.

Maßnahmen zur Reduzierung der Auswirkungen

• Lärmschutz durch Isolation lauter Maschinenbereiche.
• Filterung von Partikeln und Abscheidung von Schwermetallen und Gasen.
• Räumliche Trennung von Industriegebieten und urbanen Zentren.

Entsorgung und Recycling

• Die Umweltauswirkungen beim Entsorgen oder Recyceln von gebrauchten Eisenprodukten sind wesentlich geringer als bei der Neuproduktion aus Eisenerz.