Werkstoffkunde: Eigenschaften und Gewinnung von Metallen

Eigenschaften von Materialien

Eigenschaften: Sensorische Eigenschaften umfassen Fühlen, Riechen, Form, Glanz, Textur und Farbe. Die optische Reaktion von Materialien auf Lichteinfall unterscheidet sich in:

• Undurchsichtige Materialien: Lassen kein Licht durch.
• Transluzent: Licht geht hindurch, aber man kann nicht mehr eindeutig durchsehen.
• Transparent: Licht geht klar hindurch.

Thermik: Reaktionen auf Wärme. Ein Dämmstoff verhindert den Wärmedurchgang. Magnetische Kapazität: Die Eigenschaft eines Metalls, ein Magnet zu sein oder angezogen zu werden. Chemische Eigenschaften: Eine der wichtigsten Eigenschaften ist die Beständigkeit gegen Oxidation und Korrosion.

Mechanische Beanspruchungen

Anstrengungen: Wenn eine Kraft auf ein Objekt wirkt, neigt es zu Verformungen, abhängig von der Richtung und dem Sinn der Krafteinwirkung an den Stellen der Anwendung.

• Traktion (Zug): Die Kraft neigt dazu, das Objekt zu verlängern; sie wirkt senkrecht auf die Oberfläche.
• Kompression (Druck): Sie tendiert dazu, das Objekt zu verkürzen; wirkt senkrecht auf die Oberfläche.
• Flexion (Biegung): Tendenziell wird das Objekt gekrümmt; wirkt parallel zur Oberfläche.
• Torsion (Verdrehung): Das Objekt neigt dazu, sich zu drehen; wirkt parallel zur Oberfläche.
• Scherung (Schnitt): Die Kraft wirkt parallel zu den Bruchflächen.
• Knicken: Ähnlich wie die Knickung bei Objekten mit kleinem Querschnitt und großer Länge.

Metalle und Erzvorkommen

Metalle: Eisen enthält Eisen als Basiselement; es können kleine Anteile anderer Elemente enthalten sein. Wichtigste Lagerstätten: Diese werden praktisch genutzt, wenn es profitabel ist, die enthaltenen Mineralien zu gewinnen. Der Trend geht zum Tagebau. Typen der genutzten Mineralien: Magnetit, Hämatit, Limonit und Siderit. Diese Mineralien sind vorteilhaft, da sie in der Erdkruste in großen Anteilen vorkommen.

Der Hochofen und seine Rohstoffe

Rohstoffkosten im Hochofen: Die Beschickung besteht aus 60 % Eisenerz, 30 % Kokskohle und 10 % Zuschlagstoffen (Flux), die oben in den Hochofen eingeführt werden.

• Eisenerz aus dem Bergbau: Es durchläuft eine Reihe von Vorbehandlungen. Diese bestehen aus Zerkleinerung und der Trennung des Erzes von der Gangart.
• Kokskohle: Sie wird künstlich aus Steinkohle hergestellt. Ihre Mission im Ofen ist: Erzeugung der notwendigen Wärme für die Schmelze und Erzeugung der chemischen Reaktionen, um das Eisenoxid in Eisen umzuwandeln.
• Zuschlagstoffe (Flux): Bestehen aus Kalkstein. Die Mission ist: Chemische Reaktion mit der Gangart zur Bildung von Schlacke mit niedrigem Schmelzpunkt.

Funktionsweise des Hochofens

Der Hochofen: Er arbeitet ununterbrochen. Die Ladung sinkt ab und erreicht Temperaturen von bis zu 1650 °C, sodass das Erz in Tropfen transformiert wird, die sich im Tiegel ablagern. Kalk reagiert mit der Gangart zu Schlacke, die über einen Schlackenablauf gewonnen wird. Diese wird für die Herstellung von Zement, Eisenbahnschotter und thermische Isolierung verwendet. Periodisch wird das Stichloch (Pikera) geöffnet, um das flüssige Roheisen (Gusseisen oder Eisen der ersten Schmelze) zu entnehmen. Fast das gesamte Eisen wird durch das LD-Verfahren in Stahl umgewandelt. Manchmal erstarrt es in Barrenformen. Um den Hochofen herum befindet sich die Ringleitung (Aniya), durch die heiße Luft über Düsen in den Ofen geblasen wird.

Stahlgewinnung aus Schrott

Erlangung von Stahl durch Schrott: Hierfür wird meist der Elektrolichtbogenofen verwendet. Seine Teile sind:

• Transformator: Wandelt die Spannung auf ca. 900 V um.
• Flexible Kabel: Leiten den Strom zu den Elektroden.
• Elektrodenarme: Ermöglichen das Heben oder Senken der Elektroden, um den Lichtbogen zum Schrott zu zünden.
• Hydraulikarme am Portal: Zum Abheben und Aufsetzen des Deckels für die Einführung von Schrott, Ferrolegierungen und Zuschlagstoffen.
• Gekühlter Abzug: Leitet Abgase zu einem Filter, um Schwebeteilchen zu entfernen.
• Oszillierende Struktur: Ermöglicht das Kippen des Ofens, um den geschmolzenen Stahl zu entleeren.

Verfahren beim Gießen von Stahl

• Konventionelles Gießen: Besteht darin, den flüssigen Stahl in Formen zu gießen, um das gewünschte Stück zu erhalten.
• Strangguss: Die modernste und wirtschaftlichste Methode. Der flüssige Stahl wird in eine bodenlose, gekühlte Form mit der gewünschten Geometrie gegossen.
• Blockguss: Wenn die Nachfrage gering ist, wird der Stahl in Formen eingeführt und abgekühlt.

Klassifizierung von Eisen und Stahl

• Eisen: Kohlenstoffgehalt zwischen 0,01 % und 0,03 %. Sehr weich und schwer zu gewinnen.
• Stahl: Legierung aus Eisen und Kohlenstoff. Der Kohlenstoffgehalt liegt zwischen 0,03 % und 1,76 %.
• Gusseisen (Gießereien): Eisen-Kohlenstoff-Legierungen mit einem Kohlenstoffgehalt zwischen 1,76 % und 6,67 %.
• Graphit: Wenn der Kohlenstoffgehalt über 6,67 % liegt. Das Material wird sehr spröde.

Handelsformen von Stahl

Die gängigen Formen sind:

• Bleche: Platten in Größen wie 1x2 m oder 3x3 m.
• Stäbe: Lange Stücke mit massiven Querschnitten. Wenn der Durchmesser kleiner als 5 mm ist, spricht man von Draht.
• Profile: Hohl- oder Formkörper mit variablen Abschnitten und Längen zwischen 5 und 12 m.