BK - 08. Stahl und Gusseisen

• Schwermetall mit Dichte 7860 kg/m³
• Schmelzpunkt bei 1530°C
• Chemische Bezeichnung Fe (Ferrum)
• Für technische Verwendung keine grosse Bedeutung
• Ungefähr 4.5% der Erdkruste besteht aus Eisen
• Verbindet sich leicht mit Sauerstoff → Vorkommen meist in Form von Eisenerz

• Eisenerze
• Brennmaterial und Zusätze

Eisenerze sind chemische Verbindungen von Eisen mit Sauerstoff (O), Schwefel (S), Kohlenstoff (C) und andern Elementen. Sie unterscheiden sich von den andern Gesteinen durch ihre höhere Masse und die dunkle Einfärbung (meist braun, rotbraun, rötlich, schwarz). Gesteine mit einem Eisengehalt > 20% werden verarbeitet. Die Gewinnung erfolgt meist im Tagbau. Im Stollenbau werden Eisenerze bis in eine Tiefe von 1000 m abgebaut.

• Brauneisenstein, 50%, Jura/Fricktal/Lothringen
• Magneteisenstein, 45-65%, Wallis/USA/Skand
• Roteisenstein, 40-60%, Gonzen/Deutschland/Eng
• Spateisenstein, 25-40%, Spanien/Westfalen

• zu 50% in
• Jura
• Fricktal
• Lothringen

• zu 45-65% in
• Wallis
• USA
• Skandinavien

• Gonzen
• Deutschland
• England

• zu 25-40% in
• Spanien
• Westfalen

• Brauneisensten
• Magneteisenstein

Die Rohstoffe werden in Schichten durch die obere Öffnung des Hochofens eingebracht. Durch Verbrennung von Koks entsteht Kohlenmonoxid . Diese beiden Stoffe entziehen dem Eisenerz in einem chemischen Vorgang den Sauerstoff, so dass sich das erhitzte, flüssige Eisen am Hochofenboden sammeln kann. Ausser Eisen werden weitere Elemente, die sog. Eisenbegleiter (Si, Mn, P, S), in das Metallbad übergeführt. An der Oberfläche des flüssigen Metalls bildet sich die Schlacke, welche wegen der geringeren Dichte aufschwimmt. Periodisch wird Roheisen und Schlacke abgestochen. Das Roheisen wird entweder flüssig direkt ins Stahlwerk zur weitern Verarbeitung befördert oder es wird in Form fester Roheisenblöcke (sog. "Masseln") in die Eisengiesserei angeliefert. Die Schlacke wird auf die Schlackenhalde verfrachtet und dort zerkleinert. Um die gewünschte Hitze im Hochofen (ca. 1800° C) zu erreichen, wird im untern Bereich des Hochofens Heissluft von ca. 800° C eingeblasen. Die Erhitzung der Luft erfolgt in Winderhitzern, welche ihrerseits durch das sehr heisse Hochofengas aufgeheizt werden und die Wärme an die durchgeleitete Luft abgeben. Die Durchgangszeit des Schmelzgutes im Hochofen liegt je nach Grösse des Ofens zwischen 8 und 20 Stunden. Ein mittlerer Ofen verheizt in 24 Stunden etwa 1800 t Erz, 730 t Koks und 70 t Kalk. Dabei werden etwa 1000 t Roheisen und 500 t Schlacke gewonnen. Die Schlacke wird teilweise zu Hüttensand weiterverarbeitet.

• Zone:
• 1 Vorwärmezone
• 2 Reduktionszone
• 3 Kohlungszone
• 4 Schmelzzone

• Roheisen
• Schlacke
• Gichtgase

• Stahlroheisen (weisses Roheisen) >> Stahl
• Gussroheisen (graues Roheisen) >> Grauguss
• Sonderroheisen >> Spezialguss

• hartes und sprödes Metall
• nicht schmied und schweissbar
• Dichte zwischen 7000 und 7700 kg/m3
• Schmelzpunkt zwischen 1050 und 1200° C
• Gehalt an Kohlenstoff (C) 2.5 bis 5%
• zum technischen Gebrauch nicht verwendbar

Der Kohlenstoff ist chemisch gebunden; enthält Mangan (Mn); hart und spröde mit weisser Bruchfläche. Dient zur Herstellung von Stahl

Kohlenstoff in Grafitform ausgeschieden; leichter und weicher als Stahlroheisen; Bruchfläche dunkel- bis hellgrau und körnig. Dient zur Herstellung von Grauguss

Roheisensorten mit erhöhtem Mangan- (Mn) und Silicium- (Si) Gehalt. Dient zur Herstellung von Spezialguss

Zur Herstellung von Stahl

Zur Herstellung von Grauguss

Zur Herstellung von Spezialguss

Die sich im Hochofen bildende Schlacke wird beim Schlackenloch des Hochofens abgestochen. Sie besteht aus Kalk, Kieselsäure, Aluminium- und Eisenoxid. Sie wird verwendet zur Herstellung von Schlackensteinen und porösen Wärmedämmungsmaterialien, zur Beimengung im Zement (Hüttensand), usw.

Die im Hochofen entstehenden Gichtgase sind giftig und brennbar. Gichtgas ist ein Gemisch aus Kohlenmonoxid (CO), Kohlendioxid (CO2) und Stickstoff (N). Gichtgase werden zur Wärmebewirtschaftung des Eisenwerks und zur Aufheizung der Winderhitzer genutzt.

Es entsteht im Hochofen und wird auf Kohlenmonoxid, Kohlendioxid und Stickstoff zusammengesetzt.

Die Gusswerkstoffe ("Gusseisen") werden aus Roheisen, Gussbruch, Schrott und Zusätzen bei Temperaturen um die 1250° C geschmolzen und in bestimmte Formen vergossen. Der Kohlenstoffgehalt liegt zwischen 2.5 und 4%, was eine gute Giessbarkeit gewährleistet. Der Schmelzprozess findet im Kuppelofen (Brennmaterial: Koks) oder in einem Elektroofen statt. Der Ofen funktioniert ähnlich wie ein Hochofen, nur finden in ihm nicht dieselben chemischen Vorgänge statt. In einem Umschmelzungsvorgang werden dem Roheisen unerwünschte Begleitelemente entzogen. Je nach Umschmelzverfahren und Zusätzen sind verschiedene Gusseisensorten mit speziellen Eigenheiten im Handel, welche den speziellen Anforderungen des Verbrauchers entgegenkommen.

• Grauguss
• Duktiler Guss
• Sphäroguss
• Hartguss
• Temperguss
• Schleuderguss
• Stahlguss

mit grauer Bruchfläche; spröder Werkstoff mit kleiner Zugfestigkeit; nicht verformbar; lässt nur geringe Dehnungen zu. Verwendung als Schachtdeckel, schwach belastete Rohrleitungen für Gas und Wasser, Rohrverbindungsstücke bei Leitungen (Fitting), Radiatoren, Kochherdplatten, usw.

mit bedeutend höherer Zugfestigkeit, Zähigkeit, Bruchsicherheit und geringerer Masse als Grauguss; gut bearbeitbar; kalt verformbar; durch nachträgliches Glühen der Formstücke bei Temperaturen um die 900° C und langsames Abkühlen werden die inneren Spannungen im Werkstoff abgebaut und es wird eine verbesserte Festigkeit, Dehn- und Bearbeitbarkeit erreicht. Verwendung für stark belastete Wasser-, Gas- und Ölleitungen, Schachtdeckel, Fitting, Maschinenbau.

ist ein spröder Gusswerkstoff mit grosser Härte und Verschleissfestigkeit. Er wird vor allem für Zerkleinerungsmaschinen, Panzerungen und für die mechanischen Teile in Betonmischmaschinen verwendet.

wird bei Temperaturen von ca. 1400° C hergestellt und in Formen aus Sand vergossen (=Rohguss). Wegen relativ hohem C-Gehalt kann er gut in formgenaue Gussstücke gegossen werden. Der spröde Rohguss wird in längerem Glühprozess ("Tempern") von 4 bis 6 Tagen Dauer bei Temperaturen zwischen 850 und 1000° C in zähen Temperguss umgewandelt. Temperguss ist gut schmiedbar und teilweise auch schweissbar; höhere Zähigkeit und Festigkeit als Grauguss. Je nach Art des Temperns unterscheidet man weissen und schwarzen Temperguss (weisse und schwarze Bruchflächen!). Der weisse Temperguss wird für die Herstellung von Beschlägen, Schlüsseln, Schlössern, Rohrleitungen usw. verwendet, während der schwarze Temperguss zur Fabrikation von Autobestandteilen, Rädern, usw. dient.

Beim Schleuderguss wird flüssiges Roheisen in eine rotierende Kokille (Rundschalung) gebracht. Das von einer Giessrinne austretende Eisen wird von der sich drehenden Kokille mitgerissen und an die Innenwandung der Kokille geschleudert. Dadurch wird eine gute Verdichtung des Werkstoffs erreicht. Mittels gezielter Regulieruung der Eisenmenge und der Rotationsgeschwindigkeit wird die gewünschte Wandstärke erreicht. Eigenschaften wie beim Sphäroguss; bedingt durch die gute Verdichtung sind für Schleuderguss-Werkstoffe kleinere Bauteilstärken notwendig, wodurch in der Regel der Bau leichterer Baustoffe möglich wird. Schleuderguss wird vor allem für stark belastete Wasser-, Gas- und Ölleitungen verwendet.

wird bei Temperaturen von etwa 1600° C in feuerfeste Sandformen vergossen, wo er weissbrüchig erstarrt. Der kleine C-Gehalt (unter 0.4%) ermöglicht im Vergleich mit andern Gusseisen-Werkstoffen wesentlich höhere Dehnungen und die Zähigkeit des Materials ist ebenfalls grösser. Durch Beimischen von weiteren Metallen (Legieren) wird auch die Zugfestigkeit gesteigert. Die Giesseigenschaften sind hingegen beeinträchtigt. Dadurch besteht die Gefahr des "Lunkerns" (=Schwinden der erstarrenden Masse während der Abkühlung, Bildung von Hohlräumen im Innern, Entstehung von Rissen). Stahlguss wird, für Pumpen, Steinbrechanlagen sowie für Zähne und Spitzen von Baggerschaufeln verwendet.

Unter Stahl versteht man Eisenwerkstoffe, die im allgemeinen für eine Warm- oder Kaltformgebung geeignet sind. Mit Ausnahme einiger chromreicher Sorten enthält Stahl höchstens 2% Kohlenstoff, was ihn vom Gusseisen unterscheidet.

• C-Gehalt max. 2%, normal 0.15 bis 0.4%
• Schmelzpunkt bei 1250 bis 1500° C
• unbrennbar
• nicht feuerbeständig
• Festigkeitseinbusse bei ca. 400 bis 500° C
• Wärmeausdehnung etwa gleich wie Beton
• schmieden, walzen, biegen und schweissen möglich
• höhere Festigkeit und weniger spröde als Gusseisen

• Weisses Roheisen C-Gehalt ca. 3-4 %
• Entzug von Kohlenstoff bis max. 2.0 %
• Umschmelzverfahren
• Werkstoff Stahl

• Elektro-Stahl-Verfahren
• Sauerstoff-Blas-Verfahren
• Siemens-Martin-Verfahren

Durch das sog. "Frischen" werden Beimengungen wie Kohlenstoff, Schwefel und Phosphor aus dem Roheisen weitgehend entfernt. Indem das flüssige Roheisen auf Temperaturen bis über 3000° C erhitzt wird verbrennen die unerwünschten Begleitstoffe. Das Roheisen wird in Stahl umgewandelt. Der Unterschied der verschiedenen Verfahren liegt vor allem in der Erzeugung der gewünschten Temperaturen. Die hohen Temperaturen werden mittels Gas- Luft-Gemisch, mit elektrischer Energie oder durch reinen Sauerstoff erzielt.

Dem Material wird Kohlenstoff weggenommen und nicht benötigten Stoffe um das Endprodukt stahl zu erhalten

Umschmelzverfahren „Frischen“

Die für das Umschmelzen notwendige Hitze wird mit Hilfe elektrischer Energie erzeugt. Im Elektroofen ist es möglich, reinen Stahl herzustellen, da Verunreinigungen durch die Einwirkung von Feuerungsgasen ausbleiben. Unerwünschte Begleitelemente entweichen als Oxide mit den Abgasen und werden als chemische Verbindungen mit der Schlacke entfernt. Das Fassungsvermögen eines Ofens liegt bei 100 t und der Vorgang dauert zwischen 6 und 8 Stunden. Durch das gezielte Beigeben von andern Metallelementen können mit dem Verfahren hochwertige, legierte Stähle hergestellt werden. Das Verfahren eignet sich besonders zur Produktion von Qualitätsstahl aus Schrott. Da in der Schweiz als Rohstoff zur Herstellung von Stahl ausschliesslich Schrott zur Verfügung steht, wird die gesamte schweizerische Stahlproduktion im Elektrostahlofen erzeugt

Elektro Stahl Verfahren

Da es in der Schweiz viel Schrott vorhanden ist und dazu verwendet wird?

Das Roheisen wird mit reinem Sauerstoff behandelt, womit die Reinheit des Stahls stark verbessert werden kann. Das Verfahren besteht darin, dass ein drehbares Gefäss, der sog. Konverter, zu ca. 1/3 mit Roheisen und Schrott gefüllt wird und qualitätsschädigende Be- gleitelemente wie Phosphor, Stickstoff und Schwefel werden durch Einblasen von reinem Sauerstoff stark vermindert. Dadurch wird das Material gegen Sprödbruch unempfindlicher gemacht. Es gibt verschiedene Blasverfahren, die sich in der Art der Sauerstoffzufuhr unterscheiden. Beim LD-Verfahren (Linz-Donawitz-Verfahren) wird der reine Sauerstoff mit Hilfe einer Lanze ins Metallbad geblasen, während beim OBM-Verfahren (Oxigenblasmethode) der Sauerstoff von unten ins flüssige Metall geblasen wird. Durch Kippen des Konverters wird vorerst die Schlacke und anschliessend der flüssige Stahl ausgegossen.

Das Schmelzgut (inkl. Schrott) befindet sich in einer flachen Wanne und wird mittels Gasfeuerung erhitzt, wobei die Feuerungsgase über dem Eisenbad eine Temperatur an die 2000° C erreichen. Die unerwünschtem Fremdelemente werden verbrannt. Die zugeführte Luft wird durch die ausströmenden heissen Verbrennungsgase aufgeheizt. Das Fassungsvermögen einer Wanne kann bis 500 t betragen. Der gesamte Umschmelzprozess dauert je nach Grösse der Wanne zwischen 4 und 12 Stunden. Die Dauer zur Stahlerzeugung mit diesem Verfahren, welches auch Herdfrischen genannt wird, kann mit Nickel- und Chromzuschlägen beeinflusst werden.

• Wanne
• Herdfrischen 4-12h
• Nickel und Chrom zuschläge
• >>> Stahl

Durch Warm- oder Kaltwalzen, durch Ziehen, Schmieden, Pressen und Verwinden werden die Rohblöcke und Knüppel im Werk zu Profilstählen, Schienen, Platten, Blechen, Bewehrungsstählen, Drähten, usw. verformt. Durch paarweise entgegengesetzt laufende Walzen mit immer kleiner werdender Durchgangsöffnung werden die Blöcke und Stränge fortwährend dünner gewalzt bis sie die gewünschte Stärke aufweisen. Um Stahldraht zu erhalten, wird der Walzdraht in kaltem Zustand durch die sich verjüngenden Löcher einer Ziehplatte aus Hartmetall gezogen.

• Härten
• Anlassen
• Vergüten

Rotglühender Stahl wird hart und spröde und erreicht hohe Festigkeit, wenn er in einer Flüssigkeit (Wasser oder Mineralöl) abgeschreckt wird.

Durch nochmaliges Erhitzen nach dem Härten und langsames Erkalten wird die Härte und die Sprödigkeit vermindert und der Baustoffs wird elastischer und zäher.

Durch Abschrecken des rotglühenden Stahles und anschliessendem Erhitzenauf ca. 700° C wird die Härte des Stahles vermindert und dessen Zähigkeit und das Verhalten im elastischen Bereich verbessert.

P = Proportionalitätsgrenze

E = Elastizitätsgrenze

F = Fliessgrenze

Z = Zugfestigkeit

B = Bruchfestigkeit

Bis zur Proportinalitätsgrenze nimmt die Spannung proportional (linear) zur Dehnung zu.

Bis zu dieser Grenze kann der Stab gezogen werden, ohne dass bei der Rücknahme der Kraft (Entlastung) eine bleibende Verformung eintritt.

Hier beginnt das Material zu "fliessen". Das heisst: Bei Entlastung des gezogenen Stabes geht die Dehnung nicht wieder zurück. Während die aufgebrachte Last nicht weiter zunimmt verlängert sich der Stab. Hier findet der Übergang vom elastischen in den plastischen Bereich statt. Bei der Stahlbearbeitung wie walzen, schmieden und pressen wird dieser Umstand ausgenützt.

Nach Beendigung der Fliessperiode muss die Zugbelastung wieder gesteigert werden um eine weitere Dehnung zu erreichen. Die Zugfestigkeit ist der höchst mögliche Wert für die Zugbelastung des Bewehrungsstahles.

Vor dem Bruch schnürt sich der Querschnitt ein. Trotz zunehmender Dehnung fällt die Zugbelastung leicht zurück, bis der Stab schliesslich reisst.

Verhältnis der durch Zug erfolgten Verlängerung (∆l) eines Stabes zur ursprünglichen Länge (l 0): ε = ∆l/l0

Unter Duktilität verstehen wir das Verformungsvermögen eines Betonstahles ohne dessen Schädigung. Das Mass der Duktilität hängt vom Verhältnis Zugfestigkeit zu Fliessgrenze sowie von der Dehnung unter Höchstlast ab.

Stahlgruppe Betonbau

Fliessspannung [N/mm2]

Duktilitätsklasse A (niedrige Duktilität)

Duktilitätsklasse B (mittlere Duktilität)

Duktilitätsklasse C (hohe Duktilität)

Y = Stahlgruppe Vorspannstahl (Spannstahl)

1670 = Fliessspannung [N/mm2]

C = Weiterbearbeitung C = Kaltgezogen

7.0 = Durchmesser des Drahtes [mm]

S = Stahlgruppe Stahlbau

355 = Fliessspannung [N/mm2]

J0 = Gütegruppe (beschreibt die Qualitätsstufe bezüglich Schweissen)

HEA

HEB

HEM

IPE

LNP

RHS

ROR

UAP

• C = Kohlenstoff
• Si = Silicium
• Mn = Mangan
• P = Phosphor
• S = Schwefel
• N = Stickstoff
• O = Sauerstoff

Korrosion ist eine von der Oberfläche ausgehende Zerstörung des Baustoffes.

Rosten

• C1 Unbedeutend
• C2 Gering
• C3 Mässig
• C4 Stark
• C5 Sehr stark (Industrie)

• Epoxy
• PU (Stichwort Brandschutz)
• Eisenglimmer
• Zinkstaub
• Phosphat

• eine Sprinkleranlage installieren
• den Stahl mit einer Farbschicht versehen, die im Brandfall aufschäumt
• den Stahl verkleiden

Oxidationsverfahren

Lunkern bedeutet schwinden der erstarrenden Masse während der Abkühlung.