Stahl ist ein unverzichtbarer Werkstoff in der modernen Industrie. Ob im Maschinenbau, der Automobilproduktion oder im Baugewerbe – überall kommt Stahl zum Einsatz. Doch wie wird dieser vielseitige Werkstoff eigentlich hergestellt? In diesem Artikel erfahren Sie, welche Prozesse hinter der Stahlproduktion stecken und welche Ausgangsmaterialien dafür benötigt werden.

Grundsätzlich gibt es zwei Möglichkeiten, Stahl industriell herzustellen: Im Hochofen wird Roheisen aus Eisenerz und Koks gewonnen, während im Elektroofen recycelter Stahl eingeschmolzen wird. Beide Verfahren erfordern extrem hohe Temperaturen von über 1500°C. Um diese zu erreichen und die Anlagen zu kühlen, wird viel Wasser benötigt. Je nach gewünschter Stahlsorte können verschiedene Legierungselemente wie Chrom, Nickel oder Aluminium hinzugefügt werden, um die Eigenschaften des Endprodukts zu beeinflussen.

Doch was genau unterscheidet eigentlich Stahl von Eisen und Gusseisen? Und welche chemischen Reaktionen laufen im Hochofen ab? In den folgenden Abschnitten tauchen wir tiefer in die faszinierende Welt der Stahlherstellung ein und erklären Schritt für Schritt, wie aus Eisenerz und Schrott hochwertiger Stahl entsteht.

Grundlagen der Stahlproduktion

Um die Grundlagen der Stahlproduktion zu verstehen, ist es wichtig, sich mit den Unterschieden zwischen Eisen, Gusseisen und Stahl vertraut zu machen. Diese Eisenwerkstoffe unterscheiden sich hauptsächlich durch ihren Kohlenstoffgehalt, der ihre Eigenschaften und Anwendungsmöglichkeiten maßgeblich beeinflusst.

Was ist Stahl?

Stahl ist eine Legierung aus Eisen und Kohlenstoff, wobei der Kohlenstoffgehalt zwischen 0,03% und 2% liegt. Dieser geringe Kohlenstoffanteil verleiht dem Stahl seine charakteristischen Eigenschaften wie Elastizität, Schmiedbarkeit und Festigkeit. Durch die Zugabe weiterer Legierungselemente wie Chrom, Nickel oder Mangan können die Eigenschaften des Stahls gezielt angepasst werden, um den Anforderungen verschiedener Anwendungen gerecht zu werden.

Unterschied zwischen Eisen, Gusseisen und Stahl

Im Gegensatz zu Stahl weist Gusseisen einen höheren Kohlenstoffgehalt von 2,1% bis 7% auf. Dieser hohe Kohlenstoffanteil macht Gusseisen spröde und schwer zu verformen, verleiht ihm aber auch eine gute Gießbarkeit und Verschleißfestigkeit. Eisen hingegen ist ein chemisches Element und bildet die Grundlage für beide Werkstoffe.

Die Stahlproduktion in Deutschland erfolgt nach dem neuesten Stand der Technik und unter Einhaltung der weltweit strengsten gesetzlichen Vorschriften. Im Jahr 2020 wurden hierzulande 35,7 Millionen Tonnen Rohstahl hergestellt, womit Deutschland der größte Stahlerzeuger in der EU ist und weltweit einen Platz unter den Top 10 einnimmt. Die Transformation hin zu einer klimaneutralen Stahlindustrie erfordert jedoch Investitionen von rund 30 Milliarden Euro.

Ausgangsmaterialien für die Stahlherstellung

Um Stahl herzustellen, benötigt man verschiedene Rohmaterialien, die im Schmelzofen bei Temperaturen von über 1500°C verarbeitet werden. Die wichtigsten Ausgangsstoffe sind Eisenerz, Kohle, Koks, Kalk und Zuschläge sowie Legierungselemente.

Eisenerz ist der Hauptrohstoff für die Stahlproduktion. Es wird in Bergwerken abgebaut und anschließend aufbereitet, um den Eisengehalt zu erhöhen. Das aufbereitete Eisenerz wird dann im Hochofen zu Roheisen verarbeitet, das bis zu 4% Kohlenstoff sowie Verunreinigungen wie Phosphor, Schwefel, Mangan und Silicium enthält.

Kohle dient als Energieträger und Reduktionsmittel im Hochofenprozess. Sie wird zunächst zu Koks verarbeitet, der als Brennstoff und Kohlenstofflieferant im Hochofen eingesetzt wird. Der Koks sorgt für die notwendigen hohen Temperaturen und reduziert das Eisenerz zu Roheisen.

Kalk und andere Zuschläge wie Dolomit und Quarzsand werden im Hochofen als Schlackenbildner eingesetzt. Sie binden unerwünschte Begleitstoffe aus dem Eisenerz und erleichtern die Trennung von Roheisen und Schlacke. Die Schlacke schützt auch das flüssige Roheisen vor Oxidation.

Ferrolegierungen

Legierungselemente wie Chrom, Nickel, Molybdän, Vanadium und Wolfram werden in Form von Ferrolegierungen zugesetzt, um die Eigenschaften des Stahls gezielt zu beeinflussen. Diese Elemente verbessern beispielsweise die Härte, Zähigkeit, Korrosionsbeständigkeit oder Verschleißfestigkeit des Stahls und ermöglichen so die Herstellung verschiedener Stahlsorten für spezifische Anwendungen.

Die sorgfältige Auswahl und Zusammenstellung der Rohmaterialien ist entscheidend für die Qualität des produzierten Stahls. Durch die präzise Steuerung der Zusammensetzung und der Prozessparameter im Schmelzofen lassen sich die gewünschten Eigenschaften des Endprodukts exakt einstellen.

Der Hochofenprozess

Im Mittelpunkt der Stahlproduktion steht der Hochofen, ein beeindruckendes Bauwerk, das bis zu 75 Meter hoch sein kann. Dieser massive Ofen ist mit feuerfesten Steinen ausgekleidet, die eine Schicht von bis zu eineinhalb Metern Dicke bilden. Im Hochofen findet die Reduktion von Eisenerzen zu Roheisen statt, einem entscheidenden Schritt auf dem Weg zum Stahl.

Der Hochofen wird abwechselnd mit Schichten aus Koks und Möller, einer Mischung aus Eisenerz und Zuschlägen, befüllt. Durch die Verbrennung des Kohlenstoffs im Koks und die Zufuhr von Sauerstoff entstehen Temperaturen von rund 2000 °C. In dieser Hitze schmelzen die Eisenoxide im Erz und werden durch das Kohlenstoffmonoxid aus dem Koks zu flüssigem Roheisen reduziert.

Aufbau und Funktionsweise des Hochofens

Der Hochofen gliedert sich in verschiedene Zonen mit unterschiedlichen Temperaturen und chemischen Reaktionen. In der Kohlungszone, die einen Temperaturbereich von 900 bis 1400 °C aufweist, reichert sich das Eisen mit Kohlenstoff an. Dieser Kohlenstoff, der einen Anteil von ungefähr 4 % im Roheisen bildet, ist entscheidend für die Eigenschaften des späteren Stahls.

Chemische Reaktionen im Hochofen

Neben der Reduktion der Eisenoxide finden im Hochofen weitere wichtige chemische Prozesse statt. Begleitstoffe aus dem Erz reagieren mit den Zuschlägen und bilden eine Schlacke, die auf dem flüssigen Roheisen schwimmt. Diese Schlacke schützt das Roheisen vor unerwünschten Reaktionen und nimmt Verunreinigungen auf.

Erzeugung von Roheisen

Am Ende des Hochofenprozesses sammelt sich das flüssige Roheisen, meist in Form von weißem Roheisen mit Eisencarbid, am Boden des Ofens. Ein großer Hochofen kann täglich bis zu 13000 Tonnen dieses wertvollen Zwischenprodukts produzieren, das anschließend zu Stahl weiterverarbeitet wird. Mit einer Betriebszeit von 8 bis 15 Jahren bildet der Hochofen das Herzstück einer effizienten und leistungsfähigen Stahlproduktion.

Umwandlung von Roheisen zu Stahl

Um aus Roheisen Stahl zu gewinnen, muss der Kohlenstoffgehalt des Roheisens gesenkt werden. Roheisen aus modernen Hochofenanlagen weist einen Kohlenstoffgehalt von 3-4% auf, was es für eine direkte Verwendung als Werkstoff ungeeignet macht. Stahl hingegen besitzt einen Kohlenstoffgehalt von unter 1,7% und wird auch als Raffiniereisen bezeichnet. Er eignet sich aufgrund der geringeren Verunreinigungen besser als Werkstoff.

Frischen des Roheisens

Das Frischen des Roheisens erfolgt in speziellen Gefäßen, den sogenannten Konvertern. Hier wird dem Roheisen Sauerstoff zugeführt, um den Kohlenstoffgehalt zu reduzieren. Durch die Oxidation verbrennt der überschüssige Kohlenstoff und entweicht als Kohlendioxid (CO2). Dieser Prozess senkt den Kohlenstoffgehalt des Eisens auf unter 1,7%, wodurch Stahl entsteht.

Entfernung von Begleitelementen

Neben dem Kohlenstoff enthält Roheisen auch unerwünschte Begleitelemente wie Schwefel, Phosphor und Silicium. Diese Elemente beeinträchtigen die Eigenschaften des Stahls und müssen während des Frischens ebenfalls entfernt werden. Durch die Zufuhr von Sauerstoff werden diese Begleitelemente oxidiert und können als Schlacke abgeschieden werden. Die Schlacke schwimmt aufgrund ihrer geringeren Dichte auf der Schmelze und kann abgezogen werden.

Die beiden gängigsten Verfahren zur Stahlherstellung sind das LD-Verfahren (Linz-Donawitz-Verfahren) und das Elektrolichtbogenofen-Verfahren. Beim LD-Verfahren, das etwa 80% der Stahlproduktion ausmacht, wird Sauerstoff von oben auf das flüssige Roheisen im Konverter geblasen. Das Elektrolichtbogenofen-Verfahren hingegen nutzt elektrische Energie, um Stahlschrott und Eisenschwamm zu schmelzen und zu Stahl zu verarbeiten. Hier können Temperaturen von bis zu 3000°C erreicht werden.

Stahl produzieren: Verfahren der Stahlherstellung

In der modernen Stahlindustrie kommen hauptsächlich zwei Verfahren zum Einsatz, um aus Roheisen hochwertigen Stahl herzustellen: das Sauerstoff-Aufblasverfahren (LD-Verfahren) und das Elektrostahl-Verfahren. Beide Methoden haben ihre Vorteile und eignen sich für unterschiedliche Anwendungsbereiche.

Sauerstoff-Aufblasverfahren (Linz-Donawitz-Verfahren)

Das LD-Verfahren, benannt nach den österreichischen Städten Linz und Donawitz, wurde in den 1950er Jahren entwickelt und revolutionierte die Stahlproduktion. Bei diesem Prozess wird reiner Sauerstoff in die Roheisenschmelze eingeblasen, um den Kohlenstoffgehalt zu reduzieren und Verunreinigungen zu entfernen. Die dabei entstehende Überschussenergie wird genutzt, um Stahlschrott einzuschmelzen. Das LD-Verfahren zeichnet sich durch folgende Vorteile aus:

• Schnelle und effiziente Umwandlung von Roheisen zu Rohstahl
• Möglichkeit, große Mengen an Stahlschrott zu recyceln
• Geringere Produktionskosten im Vergleich zu anderen Verfahren

Elektrostahl-Verfahren

Das Elektrostahl-Verfahren, das bereits 1904 von Paul-Louis Héroult entwickelt wurde, nutzt Lichtbogenöfen, um Stahlschrott und Roheisen auf Temperaturen von bis zu 3.000 °C zu erhitzen. Durch die hohen Temperaturen und die Zugabe von Legierungselementen lassen sich Qualitätsstähle mit besonderen Eigenschaften herstellen. Vorteile des Elektrostahl-Verfahrens sind:

• Herstellung von hochwertigen Stählen mit speziellen Anforderungen
• Verarbeitung großer Mengen an Stahlschrott und Förderung des Recyclings
• Geringe Verunreinigung des Stahls durch präzise Prozesssteuerung

Beide Verfahren haben dazu beigetragen, die Stahlindustrie effizienter und umweltfreundlicher zu gestalten. Insbesondere das Recycling von Stahlschrott im Elektro-Lichtbogenofen hilft, Ressourcen zu schonen und den ökologischen Fußabdruck der Branche zu verringern.

Veredelung und Legierung von Stahl

Um die Eigenschaften von Stahl gezielt an verschiedene Anwendungen anzupassen, werden dem Stahl Legierungselemente wie Chrom, Nickel, Mangan oder Titan zugesetzt. Durch die Zugabe dieser Elemente entstehen legierte und hochlegierte Stahlsorten mit besonderen Festigkeits-, Zähigkeits- oder Korrosionseigenschaften. So kann beispielsweise der Kohlenstoffgehalt im Stahl variiert werden, um die gewünschten Werkstoffeigenschaften zu erreichen.

Die Zugabe von Legierungselementen erfolgt meist während des Schmelzprozesses im Elektrolichtbogenofen. Dieser Ofen ermöglicht eine schnelle und energieeffiziente Schmelzung von Metallschrott und ist flexibel einsetzbar. Durch den Einsatz von Elektrolichtbogenöfen kann im Vergleich zu herkömmlichen Hochöfen bis zu doppelt so viel Energie eingespart werden. Zudem erleichtert dieser Ofentyp die ständige Einbeziehung von Schrott in die Stahlherstellung, was die Nachhaltigkeit des Prozesses verbessert.

Die Auswahl und Dosierung der Legierungselemente hängt von den gewünschten Eigenschaften des Endprodukts ab. So erhöht beispielsweise Chrom die Korrosionsbeständigkeit und Härte des Stahls, während Nickel die Zähigkeit und Duktilität verbessert. Durch die gezielte Kombination verschiedener Legierungselemente lassen sich maßgeschneiderte Stahlsorten für spezifische Anwendungen entwickeln, wie zum Beispiel rostfreie Edelstähle für die Lebensmittelindustrie oder hochfeste Stähle für den Automobilbau.

Die Veredelung und Legierung von Stahl ist ein entscheidender Schritt, um die vielseitigen Eigenschaften dieses Werkstoffs zu optimieren und an die Anforderungen verschiedener Branchen anzupassen. Durch den Einsatz moderner Technologien und die sorgfältige Auswahl der Legierungselemente können Stahlhersteller hochwertige und leistungsfähige Stahlsorten produzieren, die den wachsenden Ansprüchen der Industrie gerecht werden.

Gießen und Walzen von Stahl

Nach dem Stranggussverfahren wird der flüssige Stahl in eine Form gegossen, die einen kontinuierlichen Strang erzeugt. Dieser Strang wird dann in kleinere Abschnitte, sogenannte Brammen, geschnitten. Die Stahlformgebung erfolgt anschließend durch Walzen, bei dem die Brammen unter hohem Druck zwischen rotierenden Walzen zu Blechen, Rohren oder Profilen geformt werden.

Das Warmwalzen findet bei Temperaturen zwischen 1.000 und 1.300 °C statt und verleiht dem Stahl eine gleichmäßige Struktur und verbesserte mechanische Eigenschaften. Beim Kaltwalzen wird der Stahl bei Raumtemperatur durch mehrere gestützte Walzen präzise geformt. Während der Verarbeitung kann sich Zunder auf der Stahloberfläche bilden, der durch verschiedene Methoden wie Drehen, Beizen, Schleifen, Fräsen oder Strahlen entfernt werden kann.

Moderne Verfahren der Stahlformgebung

In den letzten Jahren wurden innovative Verfahren entwickelt, die Gießen und Walzen kombinieren und die Effizienz steigern. Das Arvedi-ESP-Verfahren beispielsweise reduziert den Energieverbrauch und die damit verbundenen Kosten um bis zu 45 Prozent im Vergleich zum konventionellen Ablauf. Auch die Anlagen für das Endlos-Gießwalzverfahren sind mit einer Länge von nur 180 Metern wesentlich kompakter als herkömmliche Gieß- und Walzwerke.

Weitere Vorteile moderner Verfahren wie Castrip® Technology und Endless Bar Production (EBP) sind:

• Reduzierung der Investitions- und Produktionskosten
• Senkung des Energieverbrauchs um bis zu 60%
• Verringerung der CO2-Emissionen um über 90%
• Erhöhung der Ausbeute auf 99%
• Senkung der Umwandlungskosten um durchschnittlich 40%

Die Stahlindustrie entwickelt sich ständig weiter und verbessert bestehende Prozesse. Aktuelle Forschungen konzentrieren sich auf die Steigerung der Energieeffizienz und Nachhaltigkeit bei der Stahlherstellung, insbesondere auf Recyclinglösungen, da bei der Produktion Abfälle wie Metallspäne, Schleifschlamm und Filterstaub anfallen.

Eigenschaften und Anwendungen verschiedener Stahlsorten

Stahl ist ein vielseitiger Werkstoff, der in zahlreichen Varianten mit unterschiedlichen Eigenschaften und Einsatzgebieten verfügbar ist. Das europäische Stahlregister umfasst über 2400 verschiedene Stahlqualitäten, die sich in ihrer Zusammensetzung und ihren Eigenschaften unterscheiden.

Unlegierter Stahl

Unlegierte Stähle, wie beispielsweise Baustahl, machen den Großteil der Stahlproduktion aus. Sie enthalten nur geringe Mengen an Begleitelementen und sind kostengünstig herzustellen. Aufgrund ihrer guten Formbarkeit und Schweißbarkeit finden sie in verschiedensten Bereichen Anwendung, insbesondere im Stahl- und Maschinenbau. Wichtige unlegierte Stahlsorten sind unter anderem:

• S235J: Kohlenstoffarmer Baustahl für vielfältige Anwendungen
• S235JR: Warmgewalzter Baustahl mit guter Verarbeitbarkeit
• S275J0: Fester Baustahl mit hoher Beständigkeit

Legierter Stahl

Legierte Stähle enthalten gezielt zugesetzte Elemente wie Chrom, Nickel oder Mangan, um spezifische Eigenschaften zu erzielen. Je nach Zusammensetzung können sie eine höhere Festigkeit, Härte oder Zähigkeit aufweisen. Häufig verwendete legierte Stähle sind:

• C45: Mittlerer Kohlenstoffgehalt für robuste, aber weniger verformbare Bauteile
• 25CrMo4: Hochfester Stahl für langlebige Maschinenteile wie Zahnräder und Ventile
• 42CrMo4: Legierter Stahl mit hoher Festigkeit und Zähigkeit für Formwerkzeuge

Edelstahl und hochlegierte Stähle

Edelstähle und hochlegierte Stähle zeichnen sich durch ihren hohen Gehalt an Zusatzelementen aus. Sie sind besonders korrosions- und hitzebeständig und kommen in anspruchsvollen Einsatzgebieten zum Einsatz. Beispiele für diese Stahlgruppe sind:

• X153CrMo12: Verschleißfester legierter Stahl für Werkzeuge und Maschinen
• 100MnCrW4: Langlebiger legierter Stahl für Werkzeuge und Schneidinstrumente

Die Vielfalt an Stahlqualitäten ermöglicht es, für jede Anwendung den passenden Stahl auszuwählen und so optimale Ergebnisse zu erzielen. Ob im Bauwesen, im Maschinenbau oder in der Fertigung – die richtige Stahlsorte ist entscheidend für die Leistungsfähigkeit und Langlebigkeit von Produkten und Konstruktionen.

Nachhaltigkeit und Recycling in der Stahlindustrie

Die Stahlindustrie in Deutschland setzt zunehmend auf Nachhaltigkeit und Ressourceneffizienz. Als eines der am häufigsten verwendeten Materialien weltweit kann Stahl nahezu unendlich recycelt werden. Durch den Einsatz moderner Technologien und optimierter Prozesse gelingt es, den Energieverbrauch und die CO2-Emissionen in der Stahlproduktion zu senken.

Der Recyclingprozess von Stahlschrott erfordert deutlich weniger Energie als die Herstellung von Primärstahl. Die Technologie des Elektrolichtbogenofens, die für etwa ein Drittel der Stahlproduktion in Deutschland verwendet wird, erzeugt weniger direkte Emissionen als die traditionelle Hochofenroute. Unternehmen wie die Swiss Steel Group arbeiten daran, den Zukauf externer Schrotte zu reduzieren, um Transportaufwände und CO2-Emissionen zu minimieren.

Eine sorgfältige Sortierung von Stahlschrott trägt ebenfalls zu einer effizienteren Wiederverwendung bei. Durch die Etablierung einer funktionierenden Kreislaufwirtschaft leistet die Stahlindustrie einen wichtigen Beitrag zu einer nachhaltigeren Industrieproduktion. Mit einer Rohstahlerzeugung von 42,1 Millionen Tonnen im Jahr 2016 ist Deutschland der siebtgrößte Stahlproduzent weltweit und der größte innerhalb der EU.

Die deutsche Stahlindustrie investiert kontinuierlich in Forschung und Entwicklung, um neue Technologien für eine umweltfreundlichere Produktion voranzutreiben. Durch technologische Fortschritte und optimierte Herstellungsprozesse konnten die Stahlqualität verbessert und die Leistungsfähigkeit gesteigert werden. Gleichzeitig hat sich die Produktivität seit 1980 mehr als verdreifacht, während die Beschäftigtenzahl leicht zurückging. Mit einer konstanten Ausbildungsquote von rund 5 Prozent zwischen 2007 und 2016 zeigt die Branche ihr Engagement für die Qualifizierung von Fachkräften.

Fazit

Die Stahlproduktion hat sich im Laufe der Zeit zu einem hochkomplexen Prozess entwickelt, der modernste Technologien und enormen Energieeinsatz erfordert. Von der Gewinnung des Eisenerzes bis hin zum fertigen Hightech-Werkstoff durchläuft der Stahl zahlreiche Verarbeitungsschritte. Die beiden Hauptverfahren sind die energieintensive Hochofenroute und die umweltfreundlichere Elektrolichtbogenofenroute, die zunehmend an Bedeutung gewinnt.