Eine Zeitreise rückwärts führt zu dem Rohstoff, aus dem Stahl gewonnen wird: Eisenerz. Solche Erzbrocken findet man auch in Deutschland, z. B. im Weserbergland.

Der Schmied Georg Pittau sammelt solche Brocken, um daraus Eisen zu gewinnen. Er und seine Freunde haben aus Ton einen mannshohen Rennofen gebaut, wie er schon in der Antike benutzt wurde, beispielsweise im Römischen Reich.

Durch tagelanges Beheizen mit Holzkohle wird der Ton gebrannt und erhält die nötige Festigkeit. Ein handbetriebener Blasebalg liefert den nötigen Sauerstoff. Nach und nach werden nun der Holzkohle Eisenerzbrocken zugefügt, dann folgt wieder Holzkohle usw. Durch ungenügende Verbrennung der Holzkohle entsteht aus Kohlenstoff und Sauerstoff Kohlenstoffmonoxid. Dieses giftige Gas steigt nach oben und entreißt dem Eisenerz den Sauerstoff – das Kohlenstoffmonoxid wird so zu Kohlenstoffdioxid oxidiert, gleichzeitig wird das Erz zu Roheisen reduziert.

Soweit die Theorie, doch das flüssige Eisen, das aus dem Rennofen rinnt, ist noch mit Schlacke verunreinigt. Erst durch langes Schmieden erhält Georg Pittau schließlich Roheisen – 2 kg aus 20 kg Eisenerz.

Im Prinzip wird dieses Verfahren der Reduktion von Eisenerz durch Kohlenstoff bzw. Kohlenstoffmonoxid auch heute – 2.500 Jahre nach der Erfindung des Rennofens – in den modernen Hochöfen der Eisenindustrie verwendet. Der Rohstoff Eisenerz kommt längst nicht mehr aus den erschöpften deutschen Erzgruben, sondern aus Übersee. Am Standort des Hochofens angekommen, wird das Erz zerkleinert und mit Förderbändern zum Hochofen transportiert. Als Reduktionsmittel dient Koks, nahezu reiner Kohlenstoff, der durch Erhitzen von Steinkohle erzeugt wird. Nach der Reduktion wandert das flüssige Roheisen nach unten und nimmt aus dem Koks Kohlenstoff auf. Schließlich sammelt es sich am Boden des Ofens und wird von Zeit zu Zeit abgelassen.

Mit einem Kohlenstoffgehalt von 3 bis 4 Prozent ist Roheisen zu spröde und unelastisch und daher für viele technische Anwendungen ungeeignet. Dennoch hat man bis ins 19. Jahrhundert aus diesem sog. Gusseisen Werkstücke gegossen, so z. B. auch Teile für Bogenbrücken.

1856 entwickelte Henry Bessemer schließlich ein Verfahren, bei dem durch Einblasen von Luft in ein Gefäß mit der Eisenschmelze der überschüssige Kohlenstoff zu Kohlenstoffdioxid verwandelt wird und entweicht. Der so gewonnene Stahl ließ sich zu Platten und Blechen walzen, aber auch zu Stäben, Stahlträgern oder Rohren ziehen und zu Hohlkörpern formen. Wegen unerwünschter Reaktionen mit dem Luftstickstoff ging man später zu anderen Verfahren über, z. B. zum sog. Sauerstoff- Blasverfahren (LD-Verfahren), bei dem mit einem Rohr, der sog. Lanze, reiner Sauerstoff in die Eisenschmelze geblasen wird. Neben dem Kohlenstoff verbrennen dabei auch andere unerwünschte Begleitelemente, wie Phosphor.

In vielen Bereichen wurde der Stahl durch Leichtmetalle wie Aluminium oder durch Kunststoffe verdrängt, aber ein modernes Auto z. B. besteht immer noch zu über 60 Prozent aus Stahl. Vor allem im Bau- und Verkehrswesen aber bleibt der hochfeste und dennoch elastische Werkstoff Stahl auf absehbare Zeit unentbehrlich.

Ein Rennofen ist eine Vorrichtung zum Gewinnen von Eisen aus Eisenerz. Dabei handelt es sich um aus Lehm oder Steinen errichtete Schachtöfen von etwa 50 bis 220 cm Höhe. Diese Vorrichtung zur Verhüttung von Erzen fand bereits seit der Eisenzeit bei den Kelten, Römern, Germanen und anderen Völkern Anwendung. Neben dem Schacht befand sich in manchen Fällen eine Herdgrube für den Schlackenablass, die so genannte Renngrube.

Die Rennöfen wurden mit Holzkohle, Holz oder Torf warm geheizt und dann für die Verhüttung von oben wechselschichtig mit Brennstoff, meist Nadelholzkohle, und fein zerkleinertem Erz von möglichst hohem Eisengehalt befüllt. Die Erzausbeute betrug maximal um 50 %. Bei einer Temperatur von 1.100 bis 1.350 °C – je nach Bauart des Ofens – wurde ein Teil des Eisenerzes im festem Zustand zu Eisen reduziert; gleichzeitig kam es zu einer Schlackenbildung. Die Schmelztemperatur von Eisen (1.539 °Celsius) sollte möglichst nicht erreicht werden, damit kein Gusseisen erzeugt wurde, das spröde und nicht mehr schmiedbar ist. Die Schlacke lief (rann, daher der Name Rennofen) aus Öffnungen aus dem Ofen und in die Herdgrube. Eine andere Theorie, die die recht großen Kristalle in der Luppe besser erklärt, ist, dass im oberen Bereich des Ofens das Erz reduziert und so stark aufgekohlt wird wie Gusseisen, so dass es sich beim weiteren Absinken in flüssigem Zustand befindet. Es verbindet sich zu einem Gebilde, das am Außenbereich anwächst. Dies geschieht in einem Bereich mit Sauerstoffüberschuss in der Nähe des/der Lufteinlasse( s), der zur Entkohlung und damit Erhöhung des Schmelzpunkts führt.

Die Belüftung erfolgte in der Regel durch einen Blasebalg. Es gab auch hohe, kaminartige Ofenformen, in denen der natürliche Luftzug ausreichte, oder die durch Tunnel mit Wind betrieben wurden; solche Rennöfen wurden gerne auf Höhenzügen angelegt. Das Produkt des Schmelzprozesses war eine mit Schlacke durchsetzte Eisenluppe (kein Gusseisen), die im Rennofen zurückblieb. Das gewonnene Material wird auch als Renneisen bezeichnet. Diese Luppe oder auch „Ofensau“ musste nun für ihre Weiterverarbeitung ausgeschmiedet werden. Dabei wurden Holzkohle- und Schlackenreste durch mehrfaches Hämmern des glühenden Metalls ausgetrieben. Als Endprodukt entstand ein direkt schmiedbares Eisen, aber je nach Ofenführung auch Stahl mit ungleichmäßigem Kohlenstoffgehalt, der nach dem Gerben zum Ausgleich der Eigenschaften und gleichmäßigen Verteilung der Inhaltsstoffe als Raffinierstahl bezeichnet wird.

Da die Rennofentechnologie über mehr als 2.000 Jahre Anwendung fand, ist bei den zahlreichen Verfahrensweisen und Bauformen keine allgemeingültige Beschreibung der Ofenfahrweise möglich. Versuche ergaben aber, dass zur Gewinnung von einem Kilogramm Eisen insgesamt rund 30 Kilogramm Holzkohle erforderlich waren (mit dem Ausschmieden). In europäischen Öfen wurde meist Erz zu Kohle im Verhältnis 1:2,5 bis 1:3 verwendet.

Pro Verhüttung konnten je nach Erz, Ofengröße, Prozessdauer und anderen Faktoren mehrere Kilo (bis zu etwa 50 kg) Stahl gewonnen werden. Insbesondere aus dem in feuchten Heidelandschaften oder an Gewässern vorgefundenen rostbraunen Raseneisenerz wurde Eisen gewonnen. Das Erz, auch Ortstein, bildet sich in der Grenze des Reduktions- mit dem Oxidationsbereich im Boden.

Dieses Verfahren wurde erst in der Neuzeit durch Hochöfen verdrängt, die flüssiges Roheisen erzeugen. Eine Zwischenstufe waren die Niederschachtöfen, die bis ins Ende des 19. Jahrhunderts mancherorts benutzt wurden. Die Technik der Eisenherstellung ist eine Kunst für sich; dieser Umstand erklärt auch, warum Eisen (gegenüber Kupfer und Bronze) erst so spät entdeckt und genutzt wurde (in Europa ab etwa 700 v. Chr.).

Eine funktionstüchtige Hochofenanlage benötigt für einen reibungslosen Dauerbetrieb von 8 bis 10 Jahren bis zum nächsten fälligen Instandhaltungstermin mehr als nur den Hochofen selbst.

Der Bunker

Die meist per Bahn oder Schiff angelieferten Einsatzstoffe wie Eisenerze, Koks und Zuschläge (z.B. Kalk, Sand und Dolomit) werden zunächst in eine Bunkeranlage gebracht. Sie besteht aus mehreren Bunkern, in denen die ankommenden Rohstoffe gelagert werden. Um Qualitätsunterschiede auszugleichen, werden die Materialien vorher meist vermischt.

Manche Rohstoffe werden bereits von den Zulieferern (unter anderem Bergwerke) vorbereitet. Teilweise muss eine vorgeschaltete Vorbereitung z.B. in einer Erzbrech-, Sinter- und Pelletieranlage für eine Aufbereitung sorgen, da die Größe der Rohstoffe weder zu klein (Verstopfungsgefahr, schlechte Durchgasung) noch zu groß (keine optimale Rohstoffausnutzung) sein darf.

Die Gicht

Von der Bunkeranlage aus wird das Material zur so genannten Gicht transportiert. Dies erfolgt entweder über Bandstraßen oder kleine Schüttwaggons, die abwechselnd den aus Erz und Zuschlägen bestehenden Möller sowie Koks zum Hochofen transportieren. Seit 2006 werden in Deutschland als Koksersatz auch Altkunststoffe zugesetzt, die neben der im Gegensatz zu Deponien umweltfreundlichen Verwertung von Kunststoffabfällen auch die Emission von CO₂ und SO₂ verringern.

Schüttwaggons transportieren das Material über einen Schrägaufzug bis zur Einfüllöffnung, der Gichtschleuse oder Gichtglocke, die den oberen Abschluss des Hochofens bildet. Zur Sicherheit gibt es immer zwei Aufzugsysteme, damit beim Ausfall eines Systems die ununterbrochene Versorgung des Hochofens gewährleistet ist. Bei modernen Hochöfen werden zum Transport der Beschickung mittlerweile Förderbänder eingesetzt, die den Gichtverschluss abwechselnd mit Möller und Koks befüllen. Die zur Zeit am weitesten verbreitete Form der Gichtschleuse ist der "Doppelglockenverschluss" mit einem von McKee entwickelten und zwischengeschalteten Drehtrichter zur Verteilung des Schüttguts.

Das aus dem Hochofen entweichende Gichtgas besteht zum großen Teil aus heißem Kohlenmonoxid (CO) und Kohlendioxid (CO₂) sowie verschiedenen Schwefel- und Stickstoffverbindungen. Dieses tödlich-giftige, brennbare Gasgemisch wird über große Rohre abgefangen, im so genannten Staubsack vom mitgeführten Staub befreit und dann den Brennern der Winderhitzer zugeführt.

Der Hochofen - Bau und Funktionsweise

Der Hochofen selbst ähnelt als "Schachtofen" prinzipiell einem Kamin oder Schornstein, da diese Form aufgrund des entstehenden Kamineffekts eine optimale Durchgasung der Beschickung erleichtert. Je nach Leistungsfähigkeit erreicht der Hochofenkern eine Bauhöhe zwischen 30 und 75 m. Die oberen 2/3, der eigentliche Schacht, entspricht dabei einem lang gezogenen Kegelstumpf. Daran angeschlossen folgt ein kurzer, auf dem Kopf stehender Kegelstumpf, der „Kohlensack“, der seinerseits etwa 2/3 der Resthöhe einnimmt. Den unteren Abschluss bildet die zylindrisch ausgeführte „Rast“, die ohne weiteren Absatz in das „Gestell“ übergeht. Bei einer Gesamthöhe von 30 Metern entfallen also auf den Schacht etwa 20 Meter, den Kohlensack 6 bis 7 Meter und den Rest etwa 3 bis 4 Meter.

Die gesamte Hochofenwand besteht aus einem meterdicken Mauerwerk oder aber einem zentimeterdicken Stahlpanzer und ist innen mit feuerfesten Schamotte-Steinen ausgekleidet. Gestützt und stabilisiert wird die Konstruktion mit einem Stahlgerüst, regelmäßig unterbrochen durch Arbeits- und Montagebühnen. Die Gesamthöhe der Anlage beträgt bis zu 90 m.

Den unteren Bereich des Hochofens schützt ein geschlossenes System aus Kühlwasserleitungen gegen Überhitzung der Ofenwände und sorgt nebenbei für eine Verlängerung der Standzeit der Ausmauerung. Am unteren Ende der Rast befindet sich die mit einem keramischen Stopfen verschlossene Abstichöffnung für das Roheisen. Die sich über dem flüssigen Roheisen ansammelnde Schlacke wird am oberen Ende der Rast abgelassen. Zur völligen Entleerung ("Sauabstich") bei einer bevorstehenden Neuzustellung des Hochofens ist an der tiefsten Stelle des Gestells sowie in dessen Boden je ein "Sauloch" (auch Ofensau) angebracht.

Die Düsen der Heißwindringleitung setzen an der Grenze zwischen Kohlensack und Rast an und werden von Winderhitzern versorgt.

Die Winderhitzer

Anfangs wurden Hochöfen immer mit Kaltluft betrieben, da man im Hüttenwesen seit Alters her die Erfahrung gemacht hatte, dass ein Hochofen im Winter besser lief als im Sommer. Anfang des 19. Jahrhunderts hatte man schließlich den in der erheblichen Brennstoffeinsparung begründeten Nutzen von Winderhitzern erkannt, die mit Gichtgas befeuert werden und die Frischluft für den Hochofen auf über 1.000 °C vorwärmen. Ein moderner Winderhitzer des 20./21. Jahrhunderts besteht aus einem senkrecht stehenden Stahlrohr von bis zu 30 Metern Höhe bei einem Durchmesser von 6 bis 7 Metern. Nach innen folgt zunächst eine Schicht wärmedämmender Steine und anschließend eine Schicht aus feuerfesten Schamotte-Steinen. Der Kern besteht vollständig aus übereinander geschichteten Viellochsteinen, durch die die Frischluft geblasen und dabei erhitzt wird. Nur an einer Seite zieht sich ein ebenfalls feuerfest ausgekleideter Brennschacht bis in Höhe der Kuppel, der etwa ein Viertel des Winderhitzer-Querschnitts einnimmt. Am unteren Brennschacht befinden sich die Brenndüsen und die Anschlüsse für Kaltluft und Heißluft. Üblicherweise sorgen immer drei Winderhitzer für eine reibungslose und störungsfreie Versorgung des Hochofens mit Heißluft.

Heißwindringleitung und Düsen

Mit einer maximal erreichbaren Temperatur von bis 1350 °C (1985) gelangt der Heißwind über die "Heißwindringleitung" zu den je nach Baugröße 10 bis 20 Zuführungsdüsen. Zur weiteren Verminderung des Koksverbrauches wird mancherorts Öl mit eingeblasen und an der Düsenöffnung entzündet.

Roheisen- und Schlackeabstich

In regelmäßigen Abständen von etwa 2 bis 3 Stunden erfolgt der Roheisen-Abstich, das heißt der Keramik-Stopfen an der Abstichöffnung wird mit einem Druckluft-Meißel oder einer Sauerstofflanze durchstoßen. Etwa 15 bis 20 min lang fließt dann das Roheisen in der Abstichhalle durch vorgeformte Rinnen bis zu einem Loch, unter dem ein Pfannen- oder Torpedowaggon bereitsteht, das aufgefangene Eisen zur Weiterverarbeitung ins Stahl- oder Gießwerk zu transportieren.

Auch die Schlacke wird mit speziellen Waggons aufgefangen und zur Weiterverarbeitung abtransportiert.

Aufbau und Verhalten der Beschickung während der Hochofenreise

Mehrere vor allem in Japan durchgeführte Versuche, bei denen man Hochöfen mitten in der Produktion erkalten ließ ("einfror"), ergaben, dass sich die Erweichungs- und Schmelzzone glockenförmig an der Mittelachse nach oben wölbt. Das Zentrum der Glocke besteht aus Koks, der in dieser 1000 bis 1600 °C heißen Zone immer noch gasdurchlässig ist. Über diese aktive Koksglocke gelangen die schmelzenden Erze und Schlacken nach innen und sinken bis in Rast und Gestell, während der eingeblasene Heißwind gleichmäßig nach außen und oben verteilt wird. Lediglich der Fuß dieser „kohäsiven Zone“ ist gasundurchlässig und befindet sich optimalerweise in Höhe der Rast. Er soll von der Durchgasung auch nicht betroffen sein, damit zum einen die Zustellungen (feuerfeste Auskleidung) von Kohlensack und Rast weniger angegriffen werden.

Folgende weiteren Erkenntnisse wurden bei der Untersuchung an "eingefrorenen" Hochöfen gewonnen:

Die sich abwechselnde Beschickung mit Möller und Koks bleibt auch während der Hochofenreise bis in tiefere Schichten erhalten. Lediglich die Schichtdicken werden im Verlauf der Reduktion geringer.

In Höhe der Blasebene finden sich statt der festen Erze nur noch Tropfen von metallischem Eisen und mit Schlacke vermischter Koks.

3 bis 4 Meter unter der Beschickungsebene beginnt die Reduktion mit der Folge, dass die Korngröße von Sinter, Pellets und Stückerz gleichmäßig abnimmt. Dabei tritt der Sinterzerfall bereits bei einer Temperatur von 200 bis 500 °C ein, der von Stückerz dagegen erst bei etwa 800 bis 900 °C.

7 Meter unter der Oberfläche ist die Reduktion so weit fortgeschritten, dass der Sinteranteil nicht weiter zerfällt. Für die anderen Möllerstoffe gilt dies jedoch nicht, da bis in eine Tiefe von 18 Metern ein immer weiter ansteigender Anteil an Feinkorn unter 5 mm festgestellt wurde. Ob und an welcher Stelle im Hochofen sich Feinkorn bildet, hängt jedoch von der Temperatur und Gasstromverteilung, von der Aufheizgeschwindigkeit sowie von der Art der Beschickung ab.

Chemische Reaktionen während der Reduktion

Um überhaupt erst eine Reduktion der Eisenerze in Gang zu bringen, müssen zunächst die dafür nötigen Reduktionsgase erzeugt werden. Dies geschieht im unteren Bereich des Hochofens bei der Verbrennung des im Koks enthaltenen Kohlenstoffs mit Sauerstoff.
Die Reaktion C + O_{2] -> CO₂ ist stark exotherm, das heißt, es wird Wärme frei, die bei dieser Reaktion 406 kJ/gMol beträgt und den Hochofen im Bereich der Heißwind-Ringdüsen auf eine Temperatur von 1800 bis 2000 °C, bei Einsatz von zusätzlichem Sauerstoff sogar auf 2200 °C erhitzt.

Zwei unmittelbar darauffolgende endotherme, also wärmeverbrauchende Reaktionen senken die Temperatur jedoch wieder auf etwa 1600 bis 1800 °C. Die sogenannte „ Boudouard-Reaktion “ CO₂ + C -> 2CO, die allerdings eine Mindesttemperatur von 1000 C benötigt, verbraucht 161 kJ/gMol.

Eine gleichzeitig stattfindende Aufspaltung des im Heißgas befindlichen Wasserdampfs H₂O + C -> H₂ + CO benötigt nochmals 136 kJ/gMol.

Beide Gase, Kohlenmonoxid und Wasserstoff, sind reduktionsfähig und steigen entgegen dem Materialstrom im Hochofen nach oben. Aufgrund dieser Eigenschaft – absinkende Möller-Koks- Säule einerseits und aufsteigende, dem wandernden Schüttgut entgegenströmenden Reaktionsgase andererseits – wird der Hochofen auch als "Gegenstrom-Reaktor" sowie als "Wanderbett- Reaktor" bezeichnet.

In der Temperaturzone zwischen 400 und 900 °C findet die so genannte „Indirekte Reduktion“ statt. Über drei Stufen reagieren die verschiedenen Eisenoxide jeweils mit Kohlenmonoxid bzw. Wasserstoff bis schließlich metallisches Eisen vorliegt:

3Fe₂ O₃+ CO -> 2Fe₃ O₄ + CO₂ Aus Hämatit entsteht der stärker eisenhaltige Magnetit.

Fe₃O₄ + CO -> 3FeO + CO₂ Aus Magnetit entsteht Wüstit. FeO + C -> Fe + CO und FeO + H2 -> Fe + H2 O Es entsteht metallisches Eisen, das sich unten im Hochofen ansammelt. Solange sich das entstehende CO₂-Gas im Temperaturbereich von über 1000 °C aufhält, wird es durch die genannte Boudouard-Reaktion immer wieder zu CO regeneriert und steht dem Reduktionsprozess zur Verfügung. Die Reduktion durch Wasserstoff ist bei etwa 800 °C besonders effektiv. Ein Gehalt von nur 10 % H2 im Reaktionsgas verdreifacht die Reduktionsgeschwindigkeit, allerdings sinkt diese wieder bei weiterer Erhöhung der Temperatur. Auch darf die Stückgröße des Erzes ein gewisses Maß nicht überschreiten, damit die Diffusionswege des Wasserstoffs nicht zu groß werden.

Im Temperaturbereich von 900 °C bis 1600 °C findet zusätzlich eine "Direkte Reduktion" mit Kohlenstoff statt:

3Fe₂ O₃ + C -> 2Fe₃ O₄ + CO Fe₃ O₄ + C -> 3FeO + CO FeO + C -> Fe + CO

Hochofenerzeugnisse

Das gewonnene Roheisen wird entsprechend seiner Zusammensetzung in zwei Arten unterteilt und unterschiedlich weiterverwendet:

"Weißes Roheisen" enthält neben den anderen Eisenbegleitern Kohlenstoff, Silizium, Phosphor und Schwefel auch einen großen Anteil an Mangan. Dieser bewirkt zum einen eine weiße, strahlige Bruchfläche und zum anderen eine Verbindung von Kohlenstoff und Eisen zu Eisencarbid. Weißes Roheisen dient als Ausgangsstoff zur Stahlerzeugung und wird in einem Blasstahlwerk ("Stahlkocherei") durch Einblasen von Sauerstoff von seinen unerwünschten Begleitstoffen und einem Großteil des Kohlenstoffs befreit. Diese verlassen den glutflüssigen, fertigen Stahl entweder als Gase (Schwefeldioxid, Kohlendioxid) oder mit den Zuschlägen als Schlacke (Kalzium- und Mangansilikate oder -phosphate).

Beispiel: 2FeO + Si -> 2Fe + SiO₂ Eisenoxid und siliziumhaltiges Roheisen reagieren zu Eisen (Stahl) und Siliziumdioxid.

Beim "Grauen Roheisen" überwiegt neben den anderen Eisenbegleitern vor allem das Silizium. Dieses bewirkt, dass sich der Kohlenstoff beim Abkühlen als Graphit ausscheidet, was sich in einer grauen Bruchfläche bemerkbar macht. Graues Roheisen dient als Ausgangsstoff zur Herstellung von Gusseisen.

Schlacke besteht aus kieselsaurem Kalk und ist ein wertvoller Rohstoff zur Erzeugung von Hüttensand, Straßenschotter, Schlackensteine, Schlackenwolle, Portlandzement und Hochofenzement.

Gichtgas enthält etwa 22 % Kohlenmonoxid, 22 % Kohlendioxid, 59 % Stickstoff und Wasserstoff und dient als Brennstoff nicht nur zur Erwärmung der Winderhitzer und Kokskammern, sondern auch als Heizgas bei Fernwärme-Heizungen und als Treibgas für Gasmotoren.

Das Linz-Donawitz- Verfahren (LD-Verfahren) ist ein Sauerstoffblasverfahren zum Frischen, also zur Stahlerzeugung durch Umwandlung von kohlenstoffreichem Roheisen in kohlenstoffarmen Stahl. Mit dem LD-Verfahren werden ca. zwei Drittel der Weltrohstahlproduktion hergestellt. Beim LD-Verfahren wird ein Konverter, der so genannte LD-Konverter, mit bis zu 400 t flüssigem Roheisen und einem Kühlmittel (Schrott oder Eisenschwamm) beschickt.

Danach wird Sauerstoff durch eine ausfahrbare wassergekühlte Sauerstofflanze auf die Eisenschmelze geblasen.

Die heftig einsetzende Verbrennung (Oxidation) der Eisenbegleiter sorgt für eine Durchwirbelung der Schmelze. Zur besseren Durchmischung wird Argon durch Düsen über den Boden eingeblasen. Die Argonblasen nehmen den in der Schmelze gelösten Wasserstoff (Rucksackverfahren) auf, was die Bildung sogenannter Wasserstofffallen im späteren Werkstück verhindern soll. Während des Frischprozesses nehmen die Gehalte von Kohlenstoff, Silizium, Mangan und Phosphor stetig ab. Die Blasdauer beträgt zwischen 10 und 20 min und wird so gewählt, dass die gewünschte Entkohlung und die Verbrennung der unerwünschten Beimengungen erreicht wird. Die verbrannten Eisenbegleiter entweichen als Gase oder werden durch jetzt zugesetzten Kalk in der flüssigen Schlacke gebunden.

Je nach Art des zu erzeugenden Stahls können am Ende des Frischens auch Legierungsstoffe zugesetzt werden. Erst wird das Stahlbad mit einer Temperatur von mehr als 1.600 °C bis heute möglichen 1750 °C durch das Abstichloch in eine Pfanne abgestochen, danach wird die Schlacke über den Konverterrand abgegossen. Das Stahlbad wird dann einer sekundärmetallurgischen Behandlung zugeführt.

Stahl kann zum einen aus Eisenerz über die Route Hochofen und Konverter hergestellt werden. Energetisch günstiger ist es jedoch, ihn im Lichtbogenofen aus Stahlschrott zu erschmelzen. 2004 wurden in Deutschland 46,4 Mio. Tonnen Rohstahl produziert, davon 31 % mit Lichtbogenöfen, 2003 waren es 44,8 Mio. Tonnen. Für das Jahr 2010 wird von einem Anteil bis zu 40 % ausgegangen.

Der Lichtbogenofen wird zur Herstellung von Baustählen, Qualitätsstählen und Rostfreistählen genutzt. Auch wird er zur Herstellung von Kalziumkarbid, Silizium und synthetischen Kristallen verwendet.

Beim Lichtbogenofenprozess wird elektrische und chemische Energie zum Aufschmelzen des Einsatzgutes eingesetzt. Dabei wird ein großer Teil der Gesamtenergie in thermische Energie (bis 3500 °C) umgesetzt, die zum Aufschmelzen des Einsatzgutes führt; ein weiterer Anteil führt zur Erwärmung der Ofenzustellung. Die Wärme über dem Lichtbogen, der zwischen der Elektrode und dem Einsatzgut brennt, wird hauptsächlich durch Strahlung auf das Einsatzgut übertragen. Beim Wechselstrom-Lichtbogenofen brennen mehrere Lichtbögen zwischen dem Einsatzgut (bzw. der Schmelze) und der Elektrodenspitze der drei Elektroden. Beim Gleichstrom-Lichtbogen wird der Lichtbogen von vier Bodenelektroden (+) durch das Einsatzgut zu einer Elektrode (-) übertragen.

Beim Elektrostahlverfahren kann neben Stahlschrott auch Eisenschwamm oder Roheisen mit verarbeitet werden. Neben dem flüssigen Rohstahl bildet sich aus den nichtmetallischen Einsatzstoffen und Oxiden der Legierungsstoffe eine Schlackenschicht auf der Schmelze. Diese hat die Aufgabe, unerwünschte Bestandteile zu binden und das Stahlbad vor weiteren Oxidationen und Wärmeverlusten zu schützen sowie den Ofen vor Überhitzung zu schützen. Kurz vor dem Abstich wird die Schlacke aus dem Ofen in einem Schlackenkübel abgelassen und wird dann von einem Spezialfahrzeug abtransportiert und beim Schlackenbeet entleert. Der Flüssigstahl wird in eine Stahlpfanne abgegossen, die auf einem ferngesteuerten Pfannenwagen steht und den Stahl zur Weiterverarbeitung in den Pfannenofen transportiert.

Früher war es üblich, nach Einbringen der gewünschten Mengen an Legierungsbestandteilen in das Stahlbad die Schmelze in eine Pfanne abzulassen und anschließend in der Gießanlage zu vergießen. Heute wird in den meisten Fällen der Elektro-Ofen als reines Einschmelzaggregat zur Erzeugung einer Basisschmelze mit niedrigen Kohlenstoff-, Schwefel- und Phosphor-Gehalten benutzt. Die endgültige Analyse wird erst nach dem Abstechen im Pfannenofen erstellt. Hierdurch ergibt sich eine höhere Analysengenauigkeit und zudem eine erhebliche Energieersparnis. Trotz hoher Energiekosten für Strom sowie für Erdgas und Sauerstoff (für Hilfsbrenner im Gefäß) ist dieses Verfahren sehr flexibel hinsichtlich der Menge der zu erzeugenden Stahlsorten und der verschiedenen Stahlqualitäten.

Bauformen des Lichtbogenofens

Der Lichtbogenofen kann als Gleichstromofen (bestehend aus einer Schmelzelektrode und einer Bodenelektrode) oder als Wechselstromofen (bestehend aus drei Schmelzelektroden) ausgeführt werden. Die Lichtbogenlänge wird mittels eines Elektrodenreglers geregelt. An die Stromversorgung der Öfen werden hohe Anforderungen gestellt, die aus dem ungleichmäßigen Brennen des Lichtbogens herrühren; es besteht die Gefahr von unerwünschten Netzrückwirkungen.

Das Ofengefäß selbst besteht aus einem aus Feuerfestmaterial gemauerten Bodengefäß sowie aus einem mit Kühlkörpern versehenen Obergefäß und einem schwenkbaren Deckel. Im Obergefäß sind meist Hilfsbrenner (Erdgas/Sauerstoff) installiert. Bei aufgeschwenktem Deckel werden Schrott und Zusatzstoffe (z. B. Legierungsmittel wie Chrom etc.) über Körbe in den Ofen chargiert. Der Abstich des Stahls erfolgt in eine Pfanne, die Schlacke wird in einen Schlackekübel abgelassen. Durch neuere Verfahren verzichtet man mittlerweile auf Schlackekübel. Die entstehende Schlacke wird an der gegenüberliegenden Seite des Abstichloches in eine Ebene oder Mulde übergeben, von wo sie entfernt und abtransportiert wird. Dafür wird der ganze Ofen hydraulisch gekippt.

Emissionen des Lichtbogenofens

Der Lichtbogenofenprozess emittiert gas- und staubhaltige Stoffe. Erforderlich sind daher wirkungsvolle Absauganlagen und Filter.

Nach der klassischen Definition ist Stahl eine Eisen- Kohlenstoff-Legierung, die weniger als 2,06 % (Masse) Kohlenstoff enthält. Dieser Definition folgt auch die EN 10020, nach der Stahl ein Werkstoff, dessen Massenanteil an Eisen größer ist als der jedes anderen Elements, dessen Kohlenstoffgehalt im Allgemeinen kleiner als 2% ist und der andere Elemente enthält. Chemisch betrachtet handelt es sich bei dem Werkstoff Stahl um eine Legierung aus Eisen und Eisencarbid. Die einfachste Definition ist aber wohl folgende: Jedes Eisen, welches ohne Zugabe anderer Stoffe schmiedbar ist, kann man als Stahl bezeichnen.

Eigenschaften

Stähle sind die am meisten verwendeten metallischen Werkstoffe. Durch Legieren mit Kohlenstoff und anderen Legierungselementen in Kombination mit wärme- und thermomechanischer Behandlung können Eigenschaften für einen breiten Anwendungsbereich erzielt werden.

Der Stahl kann zum Beispiel sehr weich und dafür ausgezeichnet verformbar hergestellt werden, wie etwa das Weißblech von Konservendosen. Demgegenüber kann er sehr hart und dafür spröde hergestellt werden wie etwa martensitische Stähle für Messer (Messerstahl). Moderne Entwicklungen zielen darauf, den Stahl gleichzeitig fest und duktil (verformbar) herzustellen, als Beitrag für den Leichtbau von Maschinen.

Das wichtigste Legierungselement im Stahl ist Kohlenstoff. Er liegt als Verbindung (Zementit bzw. Eisencarbid, Fe₃ C) vor. Die Bedeutung von Kohlenstoff im Stahl ergibt sich aus seinem Einfluss auf die Stahleigenschaften und Phasenumwandlungen.

Im Allgemeinen wird Stahl mit höherem Kohlenstoffanteil fester, aber auch spröder. Durch Legieren mit Kohlenstoff entstehen in Abhängigkeit von der Konzentration und der Umgebungstemperatur unterschiedliche Phasen: Austenit, Ferrit, Primär-, Sekundär-, Tertiärzementit und Phasengemische: Perlit, Ledeburit. Durch beschleunigtes Abkühlen von Austenit, in dem Kohlenstoff gelöst ist, können die weiteren Phasengemische wie fein- und feinststreifiger Perlit sowie nadeliger/körniger Bainit und massiver/nadeliger Martensit bzw. Hardenit entstehen.

Die Dichte von Stahl bzw. Eisen beträgt 7,85-7,87 g/cm3 , der E-Modul ca. 210 kN/mm2 . Der Schmelzpunkt von Stahl kann je nach den Legierungsanteilen bis zu 1536 °C betragen. Stahl kann gewollte Eigenschaften (Härte, Duktilität, Kerbschlagzähigkeit...) annehmen.

Die drei grundsätzlichen Methoden, die natürlich in Kombination miteinander verwendet werden können, zur Veränderung der Stahleigenschaften sind: Legieren, Wärmebehandeln (Glühen, Härten, Vergüten, Tempcore-Verfahren...), Kaltverformen (Walzen, Ziehen ...)

Stahl hat seinen Ursprung meist in einer Schmelze. Beim Erstarren entstehen kleine Kristalle mit unterschiedlichen Gitterrichtungen. Diese sind unter dem Mikroskop als Schliffbild sichtbar. Man bezeichnet diese Kristallite auch als Körner. So ist zum Beispiel die Bezeichnung Feinkornbaustahl zu verstehen. An den Korngrenzen, wo beim Erstarren die kleinen Kristalle zusammengewachsen sind, können Seigerungen auftreten. Diese beeinflussen das spätere Verhalten des Stahls bei Umformungen und Einsatz.

Stahl kann aber auch über den pulvermetallurgischen Weg hergestellt werden. Dabei werden Pulvermischungen in bauteilnahe Form gepresst und dann bei Temperaturen unterhalb der Schmelztemperatur der Hauptkomponente gesintert. Je nach Pulverteilchengröße und Prozessführung können sehr kleine Korngrößen erzielt werden. Eine Besonderheit des Sinterstahls ist eine gewisse Restporosität. Diese führt zu einer Verschlechterung der Eigenschaften. Sie kann aber auch gewollt sein. In Gleitlagerwerkstoffen z.B. ermöglicht die Porosität die Aufnahme von Schmieröl, welches kontinuierlich über die gesamte Lebensdauer abgegeben wird.

Arten von Stählen

Nach EN 10020:2007-03 wird zwischen drei Hauptgüteklassen unterschieden: Unlegierte Stähle (unlegierte Qualitätsstähle, unlegierte Edelstähle).

Unlegierte Stähle (in Produktbeschreibungen manchmal umgangssprachlich Kohlenstoffstahl oder Karbonstahl genannt) enthalten als Zusatz meist nur Kohlenstoff. Sie werden eingeteilt in Stahlwerkstoffe zur späteren Wärmebehandlung sowie solche, die nicht für eine Wärmebehandlung vorgesehen sind. Unlegierte Stähle können geringe Mengen an Chrom, Kupfer, Nickel, Blei, Mangan oder Silizium enthalten.

Nichtrostende Stähle, d.h. Stähle mit einem Massengehalt von mindestens 10,5% Chrom und höchstens 1,2% Kohlenstoff.

Andere legierte Stähle Die Kurznamen der Stähle sind in der EN 10027 festgelegt. Heute werden ca. 2500 verschiedene Stahlsorten hergestellt.

Die Stahlwerkstoffe werden nach den Legierungselementen, den Gefügebestandteilen und den mechanischen Eigenschaften in Gruppen eingeteilt.

Einteilung nach Anwendungsgebieten

Weitere wichtige Eigenschaften für den Anwender sind die Einsatzbereiche und Verwendungsmöglichkeiten der Stähle. Daher ist auch eine Kennzeichnung sinnvoll, aus denen dies entnommen werden kann:

Allgemeiner Baustahl:

Einsatz bei großen Bedarfsmengen im Maschinenbau an Stahl, da er gut zu Verarbeiten (überwiegend gut schweißbar, zerspanbar, umformbar, vergießbar) und kostengünstig ist.

Automatenstahl:

Hoher Schwefelanteil (S) zur besseren Zerspanbarkeit, d.h. mechanischen Bearbeitung von Maschinen ohne Kontrolle durch den Facharbeiter.

Bewehrungsstahl (Betonstahl):

Beton ist allein nur gut auf Druck beanspruchbar, mit einer Stahlbewehrung ist er auch auf Zug belastbar.

Einsatzstahl:

Kleinteile sowie verschleißfeste Bauteile mit dynamischer Beanspruchung.

Federstahl:

Hoher Siliziumanteil (Si), erhöht die Elastizität des Stahls, meist auch mit Chrom(Cr) legiert.

Nichtrostender Stahl:

Diese gibt es als ferritische, als austenitische, als martensitische und als Duplex-Stähle. Ersterer wird durch Legieren von mindestens 10,5 Prozent Chrom (Cr) erhalten. In austenitischen nichtrostenden Stählen ist zusätzlich Nickel (Ni) legiert. Austenitische Stähle sind bei Raumtemperatur nichtmagnetisch.

Nitrierstahl:

Auf Verschleiß beanspruchte Teile, z. B. Kolbenstangen.

Säurebeständiger Stahl:

Ab einem Chromgehalt (Cr) von mindestens 17% säure- und laugenbeständig, Verwendung z. B. für Abfüllanlagen von Putzmitteln.

Spannstahl

Messerstahl

Tiefziehstahl:

Darunter werden diejenigen Stahlsorten zusammengefasst, die zum Weiterverarbeiten durch Tiefziehen geeignet sind. Diese Stähle sind im Allgemeinen sehr weich und dürfen keine ausgeprägte Mindeststreckgrenze (Re) aufweisen.

Vergütungsstahl:

Gute Eignung zur Vergütung bzw. Veredelung und Härten des Stahls z. B. für Zahnräder.

Werkzeugstahl:

Wird zur Herstellung von Werkzeugen und Formen verwendet.

Schnellarbeitsstahl:

Bezeichnung für spanende Werkzeuge, wird immer in folgender Reihenfolge (Elemente) entschlüsselt: HSS 10-4-3-10 -> Hochleistungsschnellarbeitstahl (HSS), 10% Wolfram, 4% Molybdän, 3% Vanadium, 10% Cobalt.

Damaszener Stahl:

Dieser ist ein Werkstoff für Säbel und andere Blankwaffen und ist für seine Flexibilität und Festigkeit bekannt. Damaszener-Stahl ist kein homogener Stahl (Mono-Material), sondern ein Verbundwerkstoff aus unterschiedlich legierten Stahlsorten, die durch Feuerschweißen verbunden wurden. Nach dem Härten können die Strukturen dieses Schweißverbundstahls durch Anätzen oder durch spezielle Schleifverfahren sichtbar gemacht werden.

Didaktische Hinweise