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- 10.1 Werkstoffe
- 10.1.6 Metallische Werkstoffe
- Eigenschaften und Verwendung von Roheisen
Eigenschaften und Verwendung von Roheisen
Nach Aluminium ist Eisen das häufigste auf der Erde vorkommende Metall. Weil es ein unedles Metall ist, liegt es nicht elementar, sondern nur in Erzen vor, meist in Form seiner Oxide und Sulfide.
Eisen ist schon seit dem Altertum bekannt. Schon die Ägypter gewannen es aus Meteoriten, und man fand Gräber aus dem Jahre 3 500 v. Chr., denen Eisengegenstände beigelegt waren. Die Eisengewinnung aus Erzen wird jedoch noch nicht so lange durchgeführt. Man geht davon aus, dass von den Hethitern in Kleinasien erstmals um 1 400 v. Chr. Eisenerze verhüttet und somit Eisen gewonnen wurde. Der älteste Fund eines Eisenschmelzofens stammt von 500 v. Chr.
Eisen ist zum wichtigsten Werkstoff für die Menschheit geworden, denn es weist hervorragende Eigenschaften auf. So ist es härter als Kupfer und Bronze und gut magnetisierbar, außerdem lassen sich aus ihm durch Legieren mit anderen Metallen verschiedenste Stähle herstellen.
Eines der beeindruckendsten Bauwerke aus Eisen ist der von GUSTAVE EIFFEL im Jahr 1881 gebaute Eiffelturm in Paris (Bild 1).
Was ist Roheisen?
Roheisen ist ein Zwischenprodukt bei der Stahl- und Gusseisenherstellung. Es entsteht bei der Verhüttung der Eisenerze im Hochofenprozess. Erst durch weitere Verfahren erhält Roheisen die notwendigen Eigenschaften für die praktische Verwendung.
Chemisch betrachtet handelt es sich bei Roheisen um Eisen mit einem Kohlenstoffgehalt von über 1,7 % bis 5 %. Zudem enthält es in geringen Mengen sogenannte Eisenbegleiter wie Silicium (Si), Mangan (Mn), Phosphor (P) und Schwefel (S).
Es ist sehr spröde, erweicht beim Erhitzen sehr schnell und ist nicht schmied-, walz- oder pressbar, es eignet sich also nur für Gießereiarbeiten.
Entsprechend seiner Zusammensetzung wird zwischen grauem und weißem Roheisen unterschieden (Bild 2).
Die Begleitelemente beeinflussen die Eigenschaften des Roheisens unterschiedlich. Durch den Gehalt an Kohlenstoff wird die Festigkeit erhöht, die Härtbarkeit gesteigert, die Schmelztemperatur erniedrigt und die Dehnbarkeit vermindert. Schwefel macht Roheisen dickflüssig, es ist im erhitzten Zustand leicht brüchig.
Phosphorhaltiges Roheisen ist in der Schmelze dünnflüssig, in der Kälte besonders brüchig und hart. Durch Silicium wird die Gießbarkeit erhöht und das Abscheiden des Kohlenstoffs als Grafit begünstigt. Der Mangangehalt beeinflusst die Festigkeit, Zähigkeit und Härtbarkeit des Roheisens günstig.
Die Schmelztemperatur von grauem Roheisen liegt bei 1 200 °C und es ist zäher als weißes Roheisen.
Zusammensetzung verschiedener Roheisensorten
Gewinnung von Roheisen
Die Gewinnung von Roheisen erfolgt durch die Reduktion von Eisenerzen im Hochofen (Bild 3). Als Ausgangsstoffe benötigt man Eisenerze, Koks und Luft.
Die Eisenerze werden abwechselnd mit dem Koks und bestimmten Zusatzstoffen, den Zuschlägen, in den Hochofen eingeschichtet, d.h., die erste Schicht ist Koks, darauf kommt eine Schicht Eisenerz mit Zuschlägen, darauf wieder eine Schicht Koks usw. Dann wird durch Winddüsen unten heiße, mit Sauerstoff () angereichterte Luft eingeblasen, die eine Temperatur von ca. 1200 °C hat. Der Koks verbrennt bei ca. 2300°C zu Kohlenstoffmonooxid (CO).
Kohlenstoffmonooxid dient als Reduktionsmittel für die stufenweise Reduktion der Eisenoxide
und zum elementarem Eisen:
Das reduzierte Eisen nimmt Kohlenstoff aus dem Koks und verschiedene andere Stoffe der Eisenerze (Mangan, Silicium, Phosphor) auf und es entsteht das Roheisen. Der Siliciumgehalt wird durch die Temperatur im Hochofen bestimmt. Der Mangan- und Phosphorgehalt sind abhängig vom entsprechenden Gehalt in den Eisenerzen.
Reines Eisen hat einen Schmelzpunkt von 1 539 °C. Durch die Aufnahme von Kohlenstoff wird der Schmelzpunkt auf etwa 1 200 °C gesenkt. Dadurch ist es überhaupt erst möglich, dass Roheisen in flüssiger Form aus dem Hochofen zu entnehmen.
Aufbau eines Hochofens
Das Roheisen sammelt sich mit der entstehenden Schlacke im unteren Teil des Hochofens und wird dort entnommen (Bild 4). Die Schlacke, die wegen ihrer geringeren Dichte auf dem Roheisen schwimmt, verhindert, dass das Roheisen durch die heiße Luft oxidiert wird.
Das Roheisen wird dann in bestimmten Behältern gelagert, zum Stahlwerk transportiert und dort noch flüssig weiterverarbeitet.
Verwendung des Roheisens
Weltweit wurden im Jahr 2008 etwas mehr als 1 Milliarde Tonnen Roheisen erzeugt. Roheisen wird vorwiegend (bis zu 97 %) zur Stahlherstellung verwendet. Durch verschiedene Verfahren („Frischen“), hauptsächlich das Sauerstoffaufblas-Verfahren, wird dem Roheisen der enthaltene Kohlenstoff entzogen, und man erhält schmiedbares Eisen, den Stahl. Durch Hinzufügen von anderen Metallen lassen sich eine Vielzahl von legierten Stählen herstellen, die je nach Zusammensetzung sehr unterschiedlichen Anforderungen gerecht werden.
Das restliche Roheisen (ca. 3 %) wird zur Herstellung von Guss- bzw. Gießereieisen (graues Roheisen) genutzt. Dazu wird das Roheisen in einem kleineren Schachtofen mit anderen Materialien, z. B. Schrott, zu Gusseisen umgeschmolzen.
Gusseisen hat einen höheren Kohlenstoff- und Siliciumgehalt als Stahl und weist andere Eigenschaften auf. Es ist spröder als Stahl und lässt sich weder warm noch kalt so verformen, d. h. Schmieden oder Walzen. Es lässt sich aber spanhebend bearbeiten und schweißen.
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