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Ziel der Stahlerzeugung ist es, Stahl, also Eisenlegierungen mit geringem Kohlenstoffgehalt und gewünschten Eigenschaften wie Härte, Rostbeständigkeit oder Verformbarkeit, herzustellen.
Ein Stahlwerk ist eine Fabrik in der Metallindustrie, die zumeist mittels Hochöfen Roheisen und aus dem Roheisen dann Stahl produziert. Die Mitarbeiter eines Stahlwerks werden Stahlwerker oder Stahlkocher genannt.
Inhaltsverzeichnis |
Beim Hochofenverfahren wird zuerst Roheisen aus Eisenerz mit Hilfe von Koks hergestellt. Danach wird durch weitere Verfahren aus dem Roheisen der Stahl hergestellt, dazu wird in der Regel zusätzlich noch Schrott eingesetzt.
Die Eisenherstellung aus Eisenerz erfolgt gegenwärtig üblicherweise mittels eines Hochofens. Das Eisenerz wird als Stückerz, Pellets oder Sinter zusammen mit dem Reduktionsmittel (Koks) und weiteren Bestandteilen (Kalkstein,Schlackenbildner, usw.) zum sogenannten Möller vermischt und anschließend chargiert. Der Hochofen ist ein metallurgischer Reaktor, in dem im Gegenstrom die Möllersäule mit heißer Luft, dem sogenannten Wind, reagiert. Durch Verbrennen des Kohlenstoffs aus dem Koks entstehen die für die Reaktion nötige Wärme und Kohlenstoffmonoxid, das die Möllersäule durchströmt und das Eisenerz reduziert. Als Ergebnis entstehen Roheisen und Schlacke, die periodisch abgestochen werden.
Da das Roheisen noch sehr viel Kohlenstoff enthält, muss es einen weiteren Prozessschritt durchlaufen. Durch Aufblasen von Sauerstoff, das sogenannte Frischen, wird der Kohlenstoff oxidiert und es entsteht flüssiger Stahl. Nach dem Zulegieren der gewünschten Elemente wird er im Strang oder in der Kokille zu Halbzeug vergossen. Das Vergießen bedarf besonderer Techniken, man unterscheidet zwischen beruhigtem und unberuhigt vergossenen Stahl. Unter Beruhigen versteht man das Binden des in der Schmelze gelösten Sauerstoffs durch Zulegieren von Aluminium oder Silicium. Dies hat Einfluss auf im erkaltenden Stahl entstehende Seigerungen (Materialentmischungen, z. B. Schwefelablagerungen) oder Lunker (durch das Schwinden des Materials bedingte Hohlräume). Beide sind mit Qualitätsverlusten verbunden.
Die Nachteile des Hochofens sind die Anforderungen an die Einsatzmaterialien und der hohe Ausstoß an Kohlendioxid. Der eingesetzte Eisenträger und der Koks müssen stückig und hart sein, sodass genügend Hohlräume in der Möllersäule bestehen bleiben, die das Durchströmen durch den eingeblasenen Wind gewährleisten. Der CO2-Ausstoß stellt eine starke Umweltbelastung dar. Deshalb gibt es Bestrebungen, die Hochofenroute abzulösen. Bisher hat sich aber kein Verfahren gegenüber dem Hochofen etablieren können. Zu nennen sind hier die Eisenschwamm- und Pelletherstellung in Drehrohröfen sowie die Corex-, Midrex- und Finex-Verfahren.
Am weitesten verbreitet sind bisher das Midrex – bzw HYL-Direktreduktionsverfahren, die Eisenschwamm bzw. HBI (engl. Hot Briquetted Iron) als festes Einsatzmaterial erzeugen. Dieses ist immer noch mit einer gewissen Menge von Gangart des Ausgangserzes belastet, aber der Kohlenstoffgehalt ist normalerweise nicht höher als 1 %.
Das Corex-Verfahren ist neueren Datums und erzeugt ein flüssiges, roheisenähnliches Vormaterial, dessen Kohlenstoffgehalt bei ca. 3,5 bis 4 % liegt. Der Corex-Prozess ist ein zweistufiges Schmelzreduktionsverfahren (engl.: smelting-reduction), in dem Roheisen auf Basis nicht verkokter Kohle und Eisenerzen hergestellt werden kann. Ziel des Schmelzreduktionsverfahren ist es, durch die Kombination von Schmelzprozess, Kohlevergasung und Direktreduktion flüssiges Eisen zu erzeugen, dessen Qualität dem Hochofenroheisen entspricht. Die Schmelzreduktion kombiniert den Prozess der Direktreduktion (Vorreduktion von Eisen zu Eisenschwamm) mit einem Schmelzprozess (Hauptreduktion). Der Prozess läuft also zweistufig in getrennten Aggregaten ab. Zuerst werden die Erze zu Eisenschwamm reduziert, im zweiten Schritt erfolgt die Endreduktion und das Aufschmelzen zu Roheisen. Die für den Schmelzvorgang nötige Energie liefert die Verbrennung von Kohle (nicht verkokt). Dabei entstehen große Mengen Kohlenmonoxid als Abgas, das als Reduktionsgas genutzt wird.
Man kann zwischen so genannten Blasverfahren und Herdfrischverfahren unterscheiden.
Bei den Blasverfahren wird das Roheisen mit Sauerstoff oder Luft gefrischt. Der Oxidationsprozess, der den Kohlenstoffanteil senkt (das Frischen), liefert in diesen Verfahren genug Wärme, um den Stahl flüssig zu halten, eine externe Wärmezufuhr ist in den Konvertern deshalb nicht notwendig. Die Blasverfahren kann man zusätzlich in Aufblasverfahren und Bodenblasverfahren unterteilen. Zu den Bodenblasverfahren gehören das Bessemerverfahren und das Thomasverfahren, die aber heute keine Bedeutung mehr haben. Das am weitesten verbreitete Aufblasverfahren ist das Linz-Donawitz-Verfahren (LD)- oder Sauerstoffaufblas-Verfahren. In den LD-Konverter werden flüssiges Roheisen und Stahlschrott eingefüllt und Schlackenbildner hinzugegeben. Über eine Lanze wird Sauerstoff auf die Schmelze geblasen. Dabei verbrennen im Stahl unerwünschte Begleitelemente wie Schwefel, Phosphor, Kohlenstoff usw. und gehen in das Rauchgas oder die Schlacke über. Die Vollständigkeit der Entfernung lässt sich mit dem Baumannabdruck ermitteln. Durch die mit der Verbrennung verbundene enorme Wärmeentwicklung wird der beigegebene Schrott aufgeschmolzen. Eine Variante des LD-Verfahrens ist das Sauerstoff-Durchblasverfahren oder eine Kombination von Aufblas- und Durchblasverfahren (LWS-Verfahren nach Loire-Wendel-Sprunch oder TBM-Verfahren nach Thyssen-Blas-Metallurgie), bei dem Sauerstoff durch Düsen im Boden in den Konverter, gegebenenfalls zusätzlich zur Sauerstofflanze, eingeblasen wird.
Bei den Herdfrischverfahren wird der zur Oxidation notwendige Sauerstoff dem Roheisen zugesetzten Schrott und Erz entnommen. Außerdem muss den Herdfrischkonvertern extern Wärme zugeführt werden. Die bekanntesten Herdfrischverfahren sind der Siemens-Martin-Ofen. Frischwirkung und Heizwirkung gehen von einem oxidierenden Brenngas-Luft-Gemisch aus, das über den flachen Schmelzherd geleitet wird. Das Siemens-Martin-Verfahren wird wegen seiner nicht ausreichenden Produktivität nicht mehr eingesetzt und ist inzwischen durch die Sauerstoffblasverfahren abgelöst.
Bei den Elektrostahlverfahren wird die zum Schmelzen erforderliche Wärme durch einen Lichtbogen oder durch Induktion erzeugt. Der Lichtbogenofen wird mit Schrott, Eisenschwamm und Roheisen beschickt. Außerdem werden noch Kalk zur Schlackenbildung und Reduktionsmittel zugegeben. Der von den Graphitelektroden zum Schmelzgut verlaufende Lichtbogen erzeugt Temperaturen bis zu 3500 °C. Deshalb können auch schwer schmelzbare Legierungselemente wie Wolfram und Molybdän als Ferrolegierungen eingeschmolzen werden. Mit Lichtbogenöfen können alle Stahlsorten hergestellt werden, sie werden aber hauptsächlich auf Grund der hohen Kosten zur Herstellung von Qualitäts- und Edelstählen benutzt. Darin wird Schrott über drei Elektroden erhitzt, bis der Stahl flüssig ist. Ein Schmelzprozess dauert ca. 30 Minuten. Das Fassungsvermögen der kippbaren Elektroöfen beträgt 100 bis 200 t. Der Rohstahl wird in eine Stahlgießpfanne abgegossen.
In der Sekundärmetallurgie wird die Schmelze für das Gießen fertig behandelt (Pfannenofen, Vakuumanlage). Der Stahl wird dann in die sogenannte Kokille abgegossen. Diese Kokille kann auch aus Elementen bestehen, die einen kleinräumigen Kanal (= Kokille ) für das Strangguss-Verfahren bilden. Dies ermöglicht dann, von der Hitze des Gießprozesses möglichst viel für das nachfolgende Umformen oder Walzen zu verwenden. Zur Erzeugung hochwertiger Stähle werden Umschmelzverfahren eingesetzt, z.B. das Elektroschlacke-Umschmelzverfahren (ESU). Für legierte Stähle werden Metalle wie Chrom, Nickel, Cobalt, Molybdän, Wolfram oder Mangan zugesetzt.
Bei der Stahlerzeugung entsteht immer Schlacke als Nebenprodukt.
In moderner Zeit wird Stahl zunehmend in integrierten Stahlwerken hergestellt, die die Roheisenherstellung, die Stahlproduktion und die Halbzeug-Fabrikation in einem Werk integrieren, um Transporte, Energie und damit Kosten zu sparen.
Das bedeutendste Herstellerland für Stahl ist China, gefolgt von Japan und den USA. In Europa sind die drei wichtigsten Produzenten Russland, Deutschland, Italien. Weltweit lag Duisburg bei der Stahlerzeugung lange Zeit an erster Stelle. Dort befinden sich die modernsten und produktivsten Hochöfen. Mittlerweile ist Shanghai an die erste Stelle bei der Stahlerzeugung (Produktionsmenge) aufgerückt.
| Name | Land | Rohstahlmenge pro Jahr |
|---|---|---|
| Mittal Steel Company N.V. | Niederlande, USA, Ukraine | 60,9 Mio. t |
| Arcelor (fusioniert mit Mittal Steel Company N.V.) | Luxemburg | 45,2 Mio. t |
| Nippon Steel | Japan | 32,4 Mio. t |
| JFE Group | Japan | 31,6 Mio. t |
| Posco | Südkorea | 30,2 Mio. t |
| Shanghai Baosteel | Volksrepublik China | 21,4 Mio. t |
| US Steel | USA | 20,8 Mio. t |
| Corus | Niederlande, Großbritannien | 19 Mio. t |
| Nucor | USA | 17,9 Mio. t |
| ThyssenKrupp | Deutschland | 17,6 Mio. t |
Die Daten wurden auf Basis des Internationalen Eisen- und Stahlinstituts zusammengestellt und schließen Mittals Erwerb der amerikanischen ISG 2005 ein. Sie weichen zum Teil von den Daten der deutschen Wirtschaftsvereinigung Stahl ab. Dofasco wird bis zur endgültigen Klärung der zukünftigen Zugehörigkeit separat erfasst.
Weitere Tabellen zu Produktionsdaten:
