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Stahl

Stahl ist schmiedbares Eisen mit einem Kohlenstoffgehalt von unter 2,1 %. Er wird aus Roheisen durch Oxidationsprozesse der enthaltenen Verunreinigungen hergestellt. Die Stahlerzeugung kann nach verschiedenen Verfahren erfolgen.

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Stahl ist eine Legierung aus Eisen mit verschiedenen Zusätzen. Wesentlich ist, dass Stahl einen Kohlenstoffanteil nur bis zu 2,1 % enthält. Dadurch wird er hart, elastisch und schlagfest. Er lässt sich gießen, schmieden, pressen und walzen. Durch Zusatz von Mangan, Nickel, Chrom, Wolfram und anderen Stoffen können die Eigenschaften beeinflusst werden.

Stahl muss verschiedensten Ansprüchen gerecht werden. Eine Brückenkonstruktion hat den Belastungen bei hochsommerlichen Temperaturen wie bei strengem Frost standzuhalten. Gleichzeitig ist sie den unterschiedlichsten aggressiven Luftschadstoffen ausgesetzt.

Beachtlich sind auch die Ansprüche an den Stahl einer Spültischeinlage oder einer Waschmaschinentrommel. Spül-, Reinigungs- und Waschmittel wirken auf ihn bei hohen und niedrigen Temperaturen ein. Seine Formbeständigkeit muss bei Zimmertemperatur genauso gegeben sein wie bei 100 °C.
Schnell laufende Werkzeuge, wie Fräsen, Sägeblätter und Bohrer werden durch die entstehende Reibungswärme z.T. erheblich aufgeheizt. Sie müssen deshalb aus einem Stahl bestehen, der seine Eigenschaften auch bei höheren Temperaturen behält. Trotzdem glühen unsachgemäß eingesetzte Bohrer bei Verlust ihrer Eigenschaften oft aus. Werkzeuge, die geringeren thermischen Belastungen ausgesetzt sind, können aus einem Stahl gefertigt werden, der bis etwa 200 °C eine gute Stabilität seiner Eigenschaften aufweist.

Stahlherstellung

Durch den niedrigen Schmelzpunkt von 1200 °C lässt sich Roheisen als Gusseisen verarbeiten. Dieses ist aber sehr spröde und nicht schmiedbar. Erst wenn ein Teil der Beimengungen aus dem Eisen entfernt ist, wird es elastisch und schmiedbar. Insbesondere der Kohlenstoffgehalt muss unter 2,1 % liegen.

Die Verminderung des Gehalts an Begleitelementen wird in der Technik als Frischen bezeichnet. Beim Frischen des Roheisens findet die Oxidation der Begleitelemente statt. Der dazu erforderliche Sauerstoff stammt entweder aus der Luft oder aus dem Schrott bzw. reiner Sauerstoff wird aus der Luftverflüssigung zugeführt.

Im Konverter (auch in Konvertern, die nach ihren Erfindern auch Thomas- oder Bessemerbirne genannt werden) wird Luft oder reiner Sauerstoff durch das flüssige Eisen hindurch geblasen. Der Sauerstoff im Roheisen führt zur schnellen Oxidation der Begleitelemente.
Es laufen folgende Vorgänge ab:

Kohlenstoff + Sauerstoff Bild Kohlenstoffdioxid
C + O 2 Bild C O 2
Schwefel + Sauerstoff Bild Schwefeldioxid
S + O 2 Bild S O 2
Silicium + Sauerstoff Bild Siliciumdioxid
Si + O 2 Bild S i O 2
Phosphor + Sauerstoff Bild Diphosphorpentoxid
4P + 5 O 2 Bild 2 P 2 O 5

Die Oxide der Begleitelemente sind als Gase entweder Bestandteil der Abgase oder sie bilden als Feststoffe zusammen mit den Zuschlägen die Schlacke. Der Konverter liefert unlegierten Stahl.

In der Thomasbirne befindet sich in der feuerfesten Auskleidung (Futter) Calcium- bzw. Magnesiumoxid. Diese Oxide reagieren mit Phosphor aus dem Roheisen. Die entstehende Schlacke enthält überwiegend C a 3 ( P O 4 ) 2 , M g 3 ( P O 4 ) 2 sowie Reste der feuerfesten Auskleidung. Die gemahlene Schlacke wird als Düngemittel („Thomasmehl“ bzw. „Thomasphosphat“) verwendet.
Eisen und auch die Mehrzahl der Stahlsorten unterliegen der Korrosion. Dabei bildet sich in einer chemischen Reaktion Rost, der als Hauptbestandteil das Eisen(III)-oxid enthält. Jährlich fallen enorme Mengen verrostetes Eisen (Schrott) in allen Industrieländern an. Im Siemens-Martin-Ofen bzw. im Elektroofen kann Schrott als Oxidationsmittel für die Begleitelemente eingesetzt werden, wobei als Reduktionsprodukt das Eisen des Schrotts wiedergewonnen wird. Es ist eines der ältesten und sicher funktionierenden „Recyclingverfahren“.

Bild

  • Vorgänge im Konverter

Die Eigenschaften des Metalls können auch durch Zugabe bestimmter Zuschläge beeinflusst werden. Das Verfahren heißt Legieren.

Legierungen entstehen, wenn Metall mit einem weiteren Metall oder anderen Stoffen zusammengeschmolzen wird. Sie bestehen aus zwei oder mehreren Atomsorten und besitzen andere Eigenschaften als die reinen Metalle. Der beim Zusammenschmelzen entstehende Stahl wird als legierter Stahl bezeichnet, wenn die Legierungsbestandteile maximal 5% ausmachen.

Liegen sie darüber, heißt er hochlegierter Stahl. Im Elektroofen kann auch ohne Schrott gearbeitet werden. Dazu wird er mit Stahl einer bekannten Zusammensetzung beschickt. Dieser Stahl wird im Lichtbogen des Elektroofens geschmolzen und dann unter Zusatz bestimmter Stoffe legiert. Es entstehen Edelstähle höchster Qualität für verschiedenste spezielle Einsatzgebiete, u.a. rostsichere Stähle. Heute existieren bereits mehr als 1000 Stahlsorten.

Bild

  • Stahlherstellung im Elektroofen
Lernhelfer (Duden Learnattack GmbH): "Stahl." In: Lernhelfer (Duden Learnattack GmbH). URL: http://www.lernhelfer.de/schuelerlexikon/chemie/artikel/stahl (Abgerufen: 20. May 2025, 08:00 UTC)

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Eigenschaften und Verwendung von Roheisen

Das Metall Eisen ist schon seit dem Jahr 3500 v. Chr. bekannt. Damals waren die Menschen allerdings noch nicht in der Lage, es aus seinen Erzen zu gewinnen. Die Ersten, denen dies gelang, waren die Hethiter ungefähr 1400 v. Chr., die damit den Grundstock für die Eisenverarbeitung legten. Heute ist Eisen das wichtigste Gebrauchsmetall.

Roheisen wird im Hochofen durch die Reduktion von Eisenerzen gewonnen und für die Herstellung von Stahl und Gießereieisen (Gusseisen) verwendet.

Verarbeitung von Eisenerzen für die Eisenherstellung

Da Eisen ein unedles Metall ist, kommt es nicht elementar, sondern nur in Form seiner Verbindungen vor. Eisenerze enthalten Eisen als Oxid, Carbonat oder Sulfid.

Weil die Eisenerze neben Eisenverbindungen auch andere Mineralien enthalten, wurden verschiedene Aufbereitungsverfahren entwickelt, um den Massenanteil der Eisenverbindungen in den Erzen zu erhöhen.

Die aufbereiteten Erze werden der Roheisengewinnung im Hochofen zugeführt. Eisencarbonate und –sulfide müssen darüber hinaus in die Oxide überführt werden, bevor sie zur Eisengewinnung im Hochofen verwendet werden können.

Der Hochofenprozess – Herstellung von Eisen und Stahl

Im Hochofen wird aus den oxidischen Eisenerzen Roheisen gewonnen.

Als Reduktionsmittel dient hauptsächlich Kohlenstoffmonooxid, das durch Verbrennung von Koks im Hochofen selbst erzeugt wird.

Der Hochofen wird von oben mit Eisenerz, Koks und Zuschlägen (u.a. Kalkstein) so beschickt, dass sich im Hochofen Schichten von Koks und Eisenerz abwechseln. Unten wird heiße Luft eingeblasen. Durch das entstehende Kohlenstoffmonooxid werden die Eisenoxide reduziert, und es sammelt sich unten flüssiges Roheisen, das in regelmäßigen Abständen entnommen wird (Abstich).

Das Roheisen wird anschließend zu verschiedenen Stahlsorten weiterverarbeitet.

Bildung von Hochofenschlacke und ihre Verwendung

Die Hochofenschlacke entsteht als Nebenprodukt bei der Roheisengewinnung im Hochofen, wenn nichtmetallene Erzbestandteile sich mit zugesetzten Stoffen, den Zuschlägen, verbinden. Hochofenschlacke besteht im wesentlichen aus Calcium- bzw. Magnesiumsilicaten. Die spezifisch leichtere Hochofenschlacke schützt das Roheisen im Hochofen vor Rückoxidation. Später findet sie größtenteils als Baumaterial Anwendung.

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