Roheisen: Eigenschaften und Verwendung

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, denn schon die Ägypter gewannen es aus Meteoriten und man fand Gräber aus dem Jahre 3 500 v. Chr., denen Eisengegenstände beigelegt waren. Der älteste Fund eines Eisenschmelzofens stammt von 500 v. Chr. Eisen verdrängte jedoch erst viel später die Bronze und fand seine weite Verbreitung im 18./19. Jahrhundert.

Eisen ist zum wichtigsten Werkstoff für die Menschheit geworden, denn es weist hervorragende Eigenschaften auf (größere Härte als Kupfer und Bronze; hohe Magnetisierbarkeit; anpassbar durch Legierungen mit anderen Stoffen usw.).

Eines der beeindruckendsten Bauwerke aus Eisen ist der von GUSTAVE EIFFEL im Jahr 1881 gebaute Eiffelturm in Paris.

Was ist Roheisen ?

Roheisen ist ein Zwischenprodukt bei der Stahl- und Gusseisenherstellung. Es entsteht bei der Verhüttung der Eisenerze. Erst durch weitere Verfahren erhält Roheisen die notwendigen Eigenschaften für die praktische Verwendung.

Roheisen ist ein Stoffgemisch aus 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.

Zusammensetzung verschiedener Roheisensorten:

Bezeichnung Bruch Kohlenstoff % Silicium % Mangan %
Thomaseisen weiss 3,2 - 3,6 0,3 - 0,4 0,5 - 1,5
Hämatitroheisen grau 3,5 - 4,0 2,0 - 3,0 bis 1,2
Gießereiroheisen grau 3,5 - 4,0 2,25 - 3,0 bis 0,8
Stahleisen weiss 4,0 - 5,0 bis 1,0 2,0 - 6,0
Spiegeleisen weiss 4,5 - 5,5 bis 1,0 6,0 - 16,0

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.

Gewinnung von Roheisen

Zur Gewinnung von Roheisen benötigt man Eisenerze, Koks und Luft als Ausgangsstoffe. Die Herstellung des Roheisens erfolgt durch die Reduktion der Eisenerze im Hochofen. In solch einem Hochofen, der zwischen 25 und 30 m hoch ist, einen Durchmesser von etwa 10 m und ein Fassungsvermögen von 500 - 800 Bild hat, können pro Jahr bis zu 1 Mio. t Roheisen erzeugt werden. Die Menge des weltweit produzierten Roheisens beträgt pro Jahr etwa 600 Mio. t.

Erz + Reduktionsmittel BildMetall + Begleitstoffe

Eisenerz (Eisenoxid) + Koks Bild Eisen + Kohlenstoffdioxid

FeO+COFe+CO2

Den Eisenerzen wird im Hochofen unter Zugabe von Koks und Zuschlägen (bilden Schlacke) der Sauerstoff entzogen.


Bedarf und Leistung eines 1 000 t- Hochofens pro Tag:

Bedarf Erzeugung
Koks 1 000 t Roheisen 1 000 t
Erz und Kalk 2 500 t Gichtgas 4 000 000 Bild
Wind 4 200 000 Bild Schlacke 700 t

Die Eisenerze werden abwechselnd mit dem Koks in den Hochofen eingeschichtet, d.h., die erste Schicht ist Koks, darauf kommt eine Schicht Eisenerze, darauf wieder eine Schicht Koks usw. Dann wird durch Winddüsen heiße Luft eingeblasen, die eine Temperatur von ca. 1 200 °C hat. Der Koks verbrennt dadurch bei ca. 2 300 °C zu Kohlenstoffmonooxid (CO).

C+O2CO2 (Oxidation des Kohlenstoffes des Koks)
CO2+C2CO(Kohlenstoff des Koks reagiert mit dem gebildetem Kohlenstoffdioxid)

Roheisen: Eigenschaften und Verwendung

Das Gas steigt auf und reduziert die Eisenerze zu metallischem Eisen.

3Fe2O3+CO2Fe3O4+CO2
Fe3O4+CO3FeO+CO2
FeO+COFe+CO2

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 1539 °C. Durch die Aufnahme von Kohlenstoff wird der Schmelzpunkt auf etwa 1200 °C gesenkt. Dadurch ist es überhaupt erst möglich, dass Roheisen in flüssiger Form aus dem Hochofen zu entnehmen.

Das Roheisen sammelt sich mit der entstehenden Schlacke im unteren Teil des Hochofens und wird dort entnommen. Die Schlacke verhindert, dass das Roheisen wieder 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

Roheisen wird vorwiegend (bis zu 97%) zur Stahlherstellung verwendet. Durch verschiedene Verfahren („Frischen“), hauptsächlich das Sauerstoffaufblasverfahren, wird dem Roheisen wieder der Kohlenstoff entzogen und Sauerstoff zugeführt und man erhält eine schmiedbare Legierung, den Stahl .

Das restliche Roheisen (ca 3 %) wird zur Herstellung von Guss- bzw. Gießereieisen (graues Roheisen) genutzt. 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.

Im Allgemeinen dient Gusseisen zur Herstellung von verschiedenen Eisenteilen, wobei das Eisen in die entsprechende Form gegossen wird und erstarrt.

Man unterscheidet beim Gusseisen drei Sorten:
Zum einen gibt es den Grauguss , wobei (wie beim grauen Roheisen) ein großer Teil des Kohlenstoffs als Grafit abgeschieden ist.
Im weißen Gusseisen, auch Hartguss genannt, ist der Kohlenstoff, wie bei dem weißen Roheisen, als Eisencarbid im Eisen gebunden.
Der Temperguss entsteht durch ein nachträgliches Glühen von weißem Gusseisen und ist schmiedbar.

Verwendung der Gusseisensorten:

Gusseisensorte Verwendung Beispiele
Grauguss Maschinenteile und andere Gegenstände, die nur geringe Beanspruchung auf Zug, Stoss und Schlag auszuhalten haben und infolge ihrer mannigfaltigen Formen und wechselnden Wanddicken nur gegossen werden können Gehäuse, Ständer und Betten für Werkzeug- und Kraftmaschinen, Zylinder, Rohre, Kunstguss
Hartguss Gussteile, die entweder im Ganzen oder nur an der Oberfläche sehr hart sein müssen Hartgusswalzen, Baggerschaufeln, Maschinenteile für Hartzerkleinerungs-maschinen
Temperguss Maschinenteile, die schlagartigen Beanspruchungen ausgesetzt, aber als Schmiedestücke zu teuer und sich als Stahlguss schlecht giessen lassen Rohrverbindungsstücke, Schraubenschlüssel, Schlossteile, Nähmaschinenteile und andere Gussstücke der feinmechanischen Industrie, Fahrzeugbau
Aufbau eines Hochofens
Lernhelfer-App für dein Smartphone oder Tablet

Lexikon Share
Beliebte Artikel
alle anzeigen

Einloggen