Stahlherstellung: Verfahren, Legierungen und Gussmethoden

Siemens-Martin-Ofen

Der Siemens-Martin-Ofen ist eines der bekanntesten Verfahren zur Stahlherstellung. Ein solcher Ofen kann zwischen 10 und 540 Tonnen Metall aufnehmen. Aufgrund seiner geringen Tiefe und der direkten Flammeneinwirkung auf das Material wird er auch als Flamm- oder Herdofen bezeichnet.

Die Beheizung erfolgt meist mit Gas, Teer oder Öl. Diese Öfen verfügen oft über Regenerativkammern zur Wärmerückgewinnung. Die Ausmauerung ist in der Regel basisch, es gibt jedoch auch saure Ausmauerungen (mit Kieselsäure und Ton). Der Vorteil einer basischen Ausmauerung gegenüber einer sauren liegt darin, dass Phosphor, Schwefel, Silizium, Magnesium und Kohlenstoff kontrolliert oder entfernt werden können, während bei sauren Öfen nur der Kohlenstoffgehalt regulierbar ist. Die Kosten für basische Ausmauerungen sind jedoch höher.

Elektro-Lichtbogenofen

In Elektro-Lichtbogenöfen wird vorwiegend hochwertiger Stahlschrott geschmolzen. Sie werden zur Herstellung von Werkzeugstählen, hochfesten Stählen oder Edelstahl eingesetzt. Da diese Öfen auf hohe Qualität ausgelegt sind, werden sie stets mit basischen Ziegeln ausgekleidet.

• Kapazität: Bis zu 270 Tonnen Schmelze.
• Energiebedarf: Etwa 115 Tonnen benötigen ca. drei Stunden und 50.000 kWh.
• Betrieb: Drei Graphit-Elektroden (bis zu 760 mm Durchmesser, 12 m Länge) erzeugen den Lichtbogen.
• Prozess: Sauerstoff wird über eine Lanze injiziert.

Diese Anlagen werden häufig in kleinen und mittleren Industriebetrieben für Speziallegierungen oder Wellprofile genutzt.

Raffinationsöfen

Raffinationsöfen dienen der gezielten Einstellung der Eisen-Kohlenstoff-Zusammensetzung mittels Luft oder Sauerstoff.

Tiegelofen (Luftofen)

Dies ist das älteste Verfahren der Gießerei. Hierbei wird ein Tiegel aus Ton und Graphit in einem Ofen platziert, der mit festen Brennstoffen wie Kohle befeuert wird. Heute werden Tiegelöfen kaum noch genutzt, außer zum Schmelzen von NE-Metallen (Kapazität 50–100 kg).

Kupolofen

Kupolöfen sind kostengünstige und wartungsarme Anlagen für die Eisengießerei. Sie bestehen aus einem ca. 4 Meter langen Rohr (Durchmesser 0,8 bis 1,4 m), das von oben mit Schrott, Koks und Kalkstein beschickt wird. Verbrennungsluft wird über Düsen am unteren Ende eingeblasen. Aufgrund strenger Emissionsschutzauflagen für Staub sind sie heute oft nicht mehr für den Betrieb zugelassen.

Stahlklassifizierung (SAE/AISI)

Zur Standardisierung nutzen die Society of Automotive Engineers (SAE) und das American Iron and Steel Institute (AISI) ein numerisches System:

• Erste Ziffer: Hauptlegierungselement (z. B. 1=Kohlenstoff, 2=Nickel, 3=Nickel-Chrom-Molybdän).
• Zweite Ziffer: Ungefährer Gewichtsprozentsatz des Legierungselements.
• Dritte und vierte Ziffer: Durchschnittlicher Kohlenstoffgehalt in Hundertstelprozent.

Ingot- und Strangguss

Um Stahl in nutzbare Formen wie Bleche, Drähte oder Profile zu bringen, wird das Metall zunächst gegossen.

Strangguss

Beim Strangguss fließt die Schmelze aus einem Tiegel in eine wassergekühlte Form. Das Metall erstarrt an der Oberfläche, nimmt die Form des Werkzeugs an und wird kontinuierlich durch Rollen abgezogen. Dies ermöglicht die effiziente Herstellung von Profilen und Platten in großen Mengen.

Chemische Elemente in Eisenlegierungen

Verschiedene Elemente beeinflussen die technischen Eigenschaften:

• Kohlenstoff: Bestimmt Härte und Bearbeitbarkeit.
• Silizium: Wirkt bis 3,25 % als Weichmacher, darüber als Härter.
• Mangan: Bindet Schwefel als Schlacke und erhöht die Fließfähigkeit sowie Härte.
• Schwefel & Phosphor: Gelten meist als unerwünschte Verunreinigungen, wobei Phosphor die Fließfähigkeit der Schmelze erhöhen kann.