Stahlherstellung und Eigenschaften: Einfach erklärt

Stell dir vor, du lässt eine schwere, gusseiserne Pfanne auf einen harten Steinboden fallen. Sie könnte tatsächlich wie Glas in Stücke zerspringen! Aber eine riesige Hängebrücke aus Stahl biegt sich bei starkem Sturm meterweit hin und her, ohne auch nur einen Riss zu bekommen.

Wie kann ein Metall so leicht brechen, während ein anderes so extrem stabil und biegsam ist? Das Geheimnis liegt im Rezept! In diesem Artikel zur Stahlherstellung und Eigenschaften lernst du, wie Chemiker und Ingenieure aus brüchigem Roheisen den perfekten, flexiblen Stahl kochen und welche genialen Tricks sie dabei anwenden.

Vorwissen

• Der Hochofenprozess: Aus Eisenerz wird im Hochofen flüssiges Roheisen gewonnen.

  Beispiel: Oben kommen Erz und Kohle hinein, unten fließt das heiße, flüssige Roheisen heraus.

• Oxidation (Verbrennung): Wenn ein Stoff mit Sauerstoff reagiert.

  Beispiel: Wenn Kohlenstoff verbrennt, verbindet er sich mit Sauerstoff zu Kohlenstoffdioxid-Gas.

Aufgabentyp 1: Vergleich von Roheisen und Stahl

Das flüssige Eisen, das direkt aus dem Hochofen kommt, nennt man Roheisen. Es ist noch nicht perfekt. Es enthält bis zu $10 \%$ andere Stoffe, die wir hier als Verunreinigungen bezeichnen. Dazu gehören vor allem Kohlenstoff, aber auch Mangan, Silicium und Schwefel.

Diese Verunreinigungen wirken wie kleine Störfaktoren im Metall. Sie machen das Roheisen spröde. Das bedeutet, wenn man mit einem Hammer darauf schlägt, verformt es sich nicht, sondern es bricht. Außerdem schmilzt Roheisen beim Erhitzen schlagartig und lässt sich nicht schmieden oder walzen. Aus einem Teil des Roheisens wird in Gießereien Gusseisen hergestellt (zum Beispiel für schwere Pfannen).

Um daraus Stahl zu machen, müssen wir diese Verunreinigungen teilweise entfernen. Stahl ist im Grunde veredeltes Eisen, das maximal $1,5 \%$ Kohlenstoff enthält.

Weil im Stahl viel weniger störender Kohlenstoff steckt, hat er völlig andere Eigenschaften: Er wird beim Erhitzen allmählich weich, lässt sich wunderbar biegen, walzen und mit dem Hammer in Form schmieden.

Aufgabentyp 2: Das Sauerstoffaufblasverfahren

Wie bekommen wir nun den überschüssigen Kohlenstoff und die anderen Verunreinigungen aus dem Roheisen heraus? Die Antwort der Chemie lautet: Wir verbrennen sie!

Das wichtigste Verfahren dafür ist das Sauerstoffaufblasverfahren. Das passiert in einem riesigen, feuerfesten Topf, dem sogenannten Konverter. Dieser wird mit flüssigem Roheisen und bis zu $30 \%$ Eisenschrott gefüllt. Dann wird ein langes Rohr, die Sauerstofflanze, von oben in den Konverter gefahren. Sie bläst reinen Sauerstoff mit enormem Druck direkt auf das flüssige Metall.

Durch den Sauerstoff entstehen extrem hohe Temperaturen. Die unerwünschten Begleitstoffe reagieren mit dem Sauerstoff und verbrennen. Diesen speziellen Vorgang des Ausbrennens nennt man in der Fachsprache Frischen.

Das Geniale daran: Der Kohlenstoff verbrennt als allerletzter der Begleitstoffe. Die Ingenieure wissen genau, wie schnell das passiert. Indem sie einfach die Zeit stoppen und die Blasdauer anpassen, können sie den Sauerstoffstrahl exakt in dem Moment abschalten, wenn der gewünschte Kohlenstoffgehalt (unter $1,5 \%$) erreicht ist.

Aufgabentyp 3: Das Lichtbogenverfahren

Es gibt noch eine zweite, sehr moderne Methode, um Stahl herzustellen: das Elektrolichtbogenverfahren. Hier wird kein Sauerstoff von außen durch eine Lanze geblasen. Stattdessen nutzt man elektrische Energie.

In riesigen Elektroschmelzöfen, die bis zu 300 Tonnen Material fassen, wird ein Gemisch aus Roheisen, Schrott und Eisenerz eingefüllt. Von oben werden dicke Kohleelektroden in den Ofen gesenkt. Wenn man nun eine Hochspannung anlegt, wird das Gas im Ofen elektrisch leitfähig. Es entsteht ein Lichtbogen – das kannst du dir vorstellen wie einen gewaltigen, dauerhaften Blitz, der elektrische Energie in extrem helles Licht und unglaubliche Wärmeenergie umwandelt.

Diese Hitze schmilzt das Metall. Aber wie werden hier die Verunreinigungen verbrannt, wenn kein Sauerstoff eingeblasen wird? Der Trick liegt in der Mischung: Der Schrott ist oft rostig und das Eisenerz enthält von Natur aus Sauerstoff (es ist ein Eisenoxid). Dieser bereits im Material enthaltene Sauerstoff reicht völlig aus, um die unerwünschten Bestandteile zu verbrennen. Auch bei diesem Verfahren lässt sich der Kohlenstoffgehalt am Ende sehr präzise steuern.

Aufgabentyp 4: Legierungen und Spezialstähle

Stahl ist nicht einfach nur ein reines Element aus dem Periodensystem. Er ist ein Gemisch. In der Chemie nennen wir metallische Werkstoffe, die aus mindestens zwei Komponenten bestehen (wobei mindestens eine ein Metall ist), Legierungen.

Eine Legierung ist ein homogenes Gemisch. Das bedeutet, die verschiedenen Atome sind so perfekt und gleichmäßig miteinander vermischt, dass man sie selbst unter einem normalen Mikroskop nicht mehr unterscheiden kann. Sie sehen aus wie ein einziger, neuer Stoff.

Ein bekanntes Beispiel für eine Legierung ist Messing, das aus den Metallen Kupfer und Zink zusammengemischt wird. Auch Stahl (Eisen + Kohlenstoff) ist eine Legierung!

Oft reicht normaler Stahl aber nicht aus. Wenn man zum Beispiel Besteck herstellt, darf es beim Spülen nicht rosten. Deshalb stellen Chemiker Spezialstähle her. Dafür geben sie dem flüssigen Stahl einfach noch weitere Metalle (sogenannte Legierungskomponenten) wie Chrom oder Nickel hinzu. So erhält der Stahl genau die gewünschten Eigenschaften, die man für ein bestimmtes Produkt braucht.

Wichtige Erkenntnisse

• Roheisen enthält bis zu $10 \%$ Verunreinigungen (wie Kohlenstoff) und ist deshalb spröde und bricht leicht.

• Stahl enthält maximal $1,5 \%$ Kohlenstoff und lässt sich gut biegen und schmieden.

• Beim Sauerstoffaufblasverfahren (Frischen) wird Sauerstoff auf das Metall geblasen, um Verunreinigungen zu verbrennen.

• Das Lichtbogenverfahren nutzt gewaltige elektrische Blitze zum Schmelzen; der Sauerstoff zum Verbrennen kommt hier aus dem Schrott und Erz.

• Legierungen sind homogene Gemische aus mindestens zwei Stoffen (mindestens ein Metall). Stahl und Messing sind Legierungen.