So funktioniert die Stahlherstellung – Vom Rohstoff zum Alleskönner

Stahl bezeichnet Legierungen mit dem Hauptbestandteil Eisen und einem Kohlenstoffgehalt < 2 %. (Abgrenzung Gusseisen). Zur Einstellung bestimmter mechanischer und physikalischer Eigenschaften werden Elemente wie Chrom, Mangan, Silizium, Nickel und Molybdän hinzulegiert. Die chemische Zusammensetzung hängt hierbei vom gewünschtem Eigenschaftsprofil bzw. von der konkreten Anwendung, z.B. in der Automobilindustrie oder bei der Herstellung von Werkzeugen ab. 

• Eisen (Fe): Das Grundmaterial, das die Basisstruktur des Stahls bildet. Eisen ist von Natur aus relativ weich und hat eine geringe Zugfestigkeit, was bedeutet, dass es ohne weitere Verarbeitung für viele Anwendungen ungeeignet ist.  
• Kohlenstoff (C): Der Zusatz von Kohlenstoff zum Eisen ist der entscheidende Schritt, der Stahl seine speziellen Eigenschaften verleiht. Kohlenstoff erhöht die Härte und Festigkeit des Stahls durch die Bildung von Carbiden und beeinflusst das Gefüge, was ihn widerstandsfähiger und gleichzeitig duktiler macht.  

Der Kohlenstoffgehalt in Stahl beeinflusst sowohl die Festigkeit als auch die Verformbarkeit des Materials. Ein höherer Kohlenstoffgehalt führt zu härterem, aber weniger dehnbarem Stahl, während ein niedrigerer Kohlenstoffgehalt die Verformbarkeit erhöht, jedoch die Härte reduziert. 

Die Stahlindustrie hat eine lange und dynamische Geschichte, die bis in die Antike zurückreicht. Die ersten bekannten Stahlerzeugnisse stammen aus dem 3. Jahrhundert v. Chr. in Indien, wo Wootz-Stahl entwickelt wurde. Diese frühe Form des Stahls zeichnete sich durch ihre Härte und Zähigkeit aus und fand Anwendung in Waffen und Werkzeugen. Die Technologie verbreitete sich über die Jahrhunderte, insbesondere in Europa, wo der Einsatz von Hochöfen im Mittelalter zur Massenproduktion von Eisen führte. 

Im 19. Jahrhundert revolutionierte die industrielle Revolution die Stahlherstellung mit der Einführung neuer Technologien. Die Erfindung des Bessemer-Verfahrens (1856) ermöglichte die kostengünstige Umwandlung von Roheisen in Stahl, was einen großen Fortschritt für die Industrie darstellte. Dieses Verfahren legte den Grundstein für die moderne Stahlproduktion, die in den folgenden Jahrzehnten durch die Entwicklung des Thomas-Verfahrens und des Elektrostahlverfahrens weiter verfeinert wurde. 

Eine bedeutende Innovation ist die Entwicklung des Elektrolichtbogenofens (EAF), ein Verfahren, das Anfang des 20. Jahrhunderts eingeführt und seitdem kontinuierlich weiterentwickelt wurde. Die Integration von Recyclingprozessen und die Entwicklung effizienter Herstellungsverfahren haben dazu beigetragen, die Umweltbelastung zu minimieren und die Ressourcen effizienter zu nutzen. Heute steht die Branche vor der Herausforderung, ihren ökologischen Fußabdruck zu reduzieren und gleichzeitig die Nachfrage nach Stahlprodukten zu erfüllen. 

Die Stahlherstellung erfolgt hauptsächlich durch zwei Verfahren: die Hochofenroute und die Elektrolichtbogenofenroute. Beide Methoden haben ihre eigenen spezifischen Prozesse, Vor- und Nachteile, die im Folgenden beschrieben werden. 

Die Hochofenroute ist ein traditionelles Verfahren zur Stahlherstellung, das vor allem in der Massenproduktion eingesetzt wird. In einem Hochofen werden Eisenerz, Koks und Zuschläge wie Kalkstein geschichtet und durch heiße Luft aufgeheizt. Der Hochofenprozess beginnt mit der sorgfältigen Einspeisung der Rohmaterialien in den Hochofen. Dieser Prozess ist entscheidend für die Effizienz und Qualität des produzierten Roheisens. Die primären Rohmaterialien, die in den Hochofen eingefüllt werden, sind Eisenerz, Koks und Zuschläge. 

Eisenerz ist der Hauptbestandteil des Hochofenprozesses und besteht in der Regel aus verschiedenen Formen von Eisenoxid, wie Hämatit oder Magnetit. Diese Erze müssen zuvor in einem Zerkleinerungs- und Aufbereitungsschritt verarbeitet werden, um die Eisenanteile zu konzentrieren und Verunreinigungen zu reduzieren. Der Gehalt an Eisen im Erz ist entscheidend, da eine höhere Konzentration zu einer besseren Ausbeute führt. 

Koks wird aus Kohle gewonnen und dient als Reduktionsmittel sowie als Brennstoff im Hochofen. Der Koks ist wichtig, da er beim Erhitzen in einem speziellen Prozess, dem Kokereiprozess, Kohlenmonoxid (CO) freisetzt, welches dann als Reduktionsmittel fungiert. Bei Temperaturen zwischen 1.200 und 1.600 Grad Celsius findet die chemische Reaktion statt, bei der der Kohlenstoff aus dem Koks mit dem Sauerstoff im Eisenerz reagiert und Eisen freisetzt. Diese Reaktion ist exotherm, was bedeutet, dass sie Wärme erzeugt, die den Hochofen weiter erhitzt und so die Effizienz des Prozesses steigert. 

Die Zuschläge, wie z.B. Kalkstein, haben die Funktion, Verunreinigungen aus dem Erz zu binden und Schlacke zu bilden. Diese Schlacke, die aus Silikaten und anderen Mineralien besteht, ist leicht und schwimmt auf dem flüssigen Roheisen, was die Abtrennung von unerwünschten Bestandteilen erleichtert. Der Einsatz von Zuschlägen ist wichtig, um die Qualität des Endprodukts zu verbessern und den Hochofenbetrieb zu optimieren. 

Im Hochofen werden die Materialien schichtweise aufgetragen, wobei die Schichten von Eisenerz, Koks und Zuschlägen abwechselnd eingebracht werden. Durch das Einblasen von heißer Luft (Luftsauerstoff) in den Hochofen von unten wird der Verbrennungsprozess gefördert. Diese heiße Luft erhöht die Temperatur im Hochofen und trägt dazu bei, dass der Koks verbrennt und das notwendige Kohlenmonoxid entsteht. 

Bei Temperaturen von bis zu 1.600 Grad Celsius erfolgt die Reduktion des Eisenerzes. Der Kohlenstoff aus dem Koks reagiert mit dem Sauerstoff im Eisenerz, um Kohlenmonoxid zu bilden, welches das Eisenoxid reduziert und Eisen freisetzt. 

Das resultierende flüssige Roheisen sammelt sich im Boden des Hochofens und hat typischerweise einen Kohlenstoffgehalt von etwa 3-4 %. Dies macht das Roheisen spröde und nicht für die meisten Anwendungen geeignet, weshalb es in nachfolgenden Prozessen weiterbearbeitet werden muss. Das Roheisen wird regelmäßig abgelassen und kann entweder direkt zur Herstellung von Stahl verwendet oder in Gussformen zu Eisenblöcken oder -barren gegossen werden. 

Zusätzlich enthält das Roheisen Verunreinigungen wie Silizium, Mangan und Phosphor, die aus dem Eisenerz und den Zuschlägen stammen. Diese Verunreinigungen müssen in nachfolgenden Verfahren, wie dem Konvertieren oder dem Raffinieren, entfernt werden, um die gewünschten Eigenschaften des Endprodukts zu erreichen. 

Die Vorteile der Hochofenroute sind die hohe Produktionskapazität und die wirtschaftliche Effizienz, insbesondere bei großen Anlagen. Ein typischer Hochofen kann jährlich mehrere Millionen Tonnen Stahl produzieren. Allerdings ist der Prozess energieintensiv und mit hohen CO2-Emissionen verbunden, da fossile Brennstoffe in großen Mengen verwendet werden. Dies stellt eine Herausforderung für die Nachhaltigkeit der Stahlproduktion dar, die durch innovative Technologien und alternative Rohstoffe angegangen werden muss. 

Die Elektrolichtbogenofenroute hat in den letzten Jahrzehnten an Bedeutung gewonnen. Bei diesem Verfahren wird elektrischer Strom genutzt, um einen Lichtbogen zwischen Elektroden zu erzeugen, der das Schrottmaterial schmilzt. Die Swiss Steel Group hat sich bewusst für die Elektrostahlroute entschieden und setzt dabei auf modernste Elektrolichtbogenöfen. 

Der Prozess der Stahlherstellung mittels Elektrolichtbogenofen beginnt mit der sorgfältigen Sammlung von Stahlschrott. Dieser Schrott kann aus verschiedenen Quellen stammen, einschließlich industrieller Abfälle, Produktionsüberschüsse und Altmetall. Die Verwendung von recyceltem Stahlschrott ist ein wesentlicher Aspekt der modernen Stahlproduktion, da sie nicht nur die Umweltbelastung verringert, sondern auch den Bedarf an neuen Rohstoffen minimiert. Der Stahlschrott wird in der Regel in unterschiedlichen Qualitäten und Formen gesammelt, die dann sorgfältig sortiert und zerkleinert werden, um sicherzustellen, dass unerwünschte Verunreinigungen wie Kunststoff, Gummi oder Holz entfernt werden. 

Nachdem der Schrott aufbereitet wurde, wird er in den Elektrolichtbogenofen geladen. Dieser Ofentyp besteht aus einer robusten, feuerfesten Kammer, die für hohe Temperaturen ausgelegt ist. Der Schrott wird in den Ofen gefüllt, wobei die Menge und Art des Materials je nach den spezifischen Anforderungen des Endprodukts variieren können. Der Ofen ist mit zwei oder mehr Elektroden ausgestattet, die typischerweise aus grafitischem Material bestehen, das hohe Temperaturen aushält und gleichzeitig eine gute elektrische Leitfähigkeit bietet. 

Der Lichtbogen wird erzeugt, indem zwischen den Elektroden eine hohe elektrische Spannung angelegt wird. Dieser Prozess beginnt, indem die Elektroden in den Schrottbereich abgesenkt werden. Wenn die Elektroden nahe genug an den Schrott gelangen, beginnt der Lichtbogen, eine elektrische Entladung zwischen den Elektroden zu erzeugen. Diese Entladung erzeugt extrem hohe Temperaturen, die oft 1.600 Grad Celsius oder mehr erreichen können. Der Lichtbogen selbst ist ein intensives Licht und erzeugt auch eine beträchtliche Wärme, die es dem Ofen ermöglicht, das Material schnell und effizient zu schmelzen. 

Die hohen Temperaturen im Elektrolichtbogenofen ermöglichen eine rasche Umwandlung des Schrotts in flüssigen Stahl. In der Regel dauert der gesamte Schmelzprozess zwischen 30 Minuten und 2 Stunden, abhängig von der Menge des geladenen Materials und den spezifischen Produktionszielen. Während dieses Schmelzprozesses finden auch verschiedene chemische Reaktionen statt. 

Zusätzlich zur Schmelze wird im Elektrolichtbogenofen auch das Schmelzbad konstant gemischt, um eine gleichmäßige Temperaturverteilung zu gewährleisten und um sicherzustellen, dass alle Teile des Materials effizient geschmolzen werden. Durch die Steuerung der Stromzufuhr und der Elektrodenposition können die Stahlwerke die Temperatur und die Schmelzrate präzise regulieren, was die Flexibilität und Effizienz des Prozesses erhöht. 

Nach dem erfolgreichen Schmelzen des Stahls können Legierungselemente hinzugefügt werden, um die gewünschten Eigenschaften des Endprodukts zu erreichen. 

Nachdem alle gewünschten Legierungselemente hinzugefügt wurden und die chemischen Eigenschaften des Stahls optimiert sind, wird der flüssige Stahl in Gussformen gegossen oder in gesteuerte Gießanlagen überführt, wo er weiter verarbeitet werden kann. Dies kann die Bildung von Blöcken, Barren oder anderen Formen umfassen, die anschließend in verschiedene Produkte umgewandelt werden. 

Ein wesentlicher Vorteil der Elektrolichtbogenofenroute ist die geringere Umweltbelastung im Vergleich zur Hochofenroute, da sie weniger fossile Brennstoffe benötigt und häufig auf recyceltem Material basiert. Diese Methode ist flexibler und kann auch kleinere Produktionsmengen effizient herstellen, was sie für viele moderne Stahlschmieden attraktiv macht. In vielen modernen Anlagen wird bereits bis zu 100 % Schrott verwendet, was nicht nur die Umwelt schont, sondern auch die Wirtschaftlichkeit verbessert. 

Ein weiterer Vorteil des Elektrolichtbogenofenprozesses ist die Fähigkeit, die chemische Zusammensetzung des Stahls während des Schmelzprozesses in Echtzeit zu überwachen und anzupassen. Moderne Anlagen verwenden häufig fortschrittliche Sensoren und Analysesoftware, um die chemischen Eigenschaften des Schmelzguts zu messen und den Prozess entsprechend anzupassen. Dies ermöglicht eine präzisere Kontrolle der Stahlqualität und die Anpassung an spezifische Kundenanforderungen. 

Die Eigenschaften von Stahl können durch die Zugabe von Legierungselementen erheblich beeinflusst werden. Zu den gängigsten Legierungselementen gehören Kohlenstoff, Mangan, Chrom, Nickel und Vanadium. 

• Kohlenstoff: Der Hauptbestandteil, der Stahl seine Festigkeit und Härte verleiht. Höhere Kohlenstoffgehalte führen zu härterem Stahl, können jedoch auch die Zähigkeit verringern. Der Kohlenstoffgehalt kann durch verschiedene Verfahren kontrolliert werden, um die gewünschten Eigenschaften zu erzielen. 
• Mangan: Verbessert die Festigkeit und Zähigkeit und hilft, die Eigenschaften des Stahls bei hohen Temperaturen zu stabilisieren. Mangan wirkt auch als Entfetter, das Verunreinigungen während des Schmelzprozesses reduziert. 
• Chrom: Erhöht die Korrosionsbeständigkeit und die Härte des Stahls. Es ist ein wesentlicher Bestandteil von rostfreiem Stahl, der in vielen Anwendungen, von Haushaltsgeräten bis hin zu Bauprojekten, weit verbreitet ist. 
• Nickel: Verleiht dem Stahl Zähigkeit und verbessert die Korrosionsbeständigkeit. Nickelstahl wird häufig in der Bauindustrie verwendet, insbesondere in Bereichen, die hohe Anforderungen an Festigkeit und Korrosionsbeständigkeit stellen. 
• Vanadium: Wird zur Verbesserung der Festigkeit und Zähigkeit eingesetzt und spielt eine wichtige Rolle in Hochleistungsstählen, die in anspruchsvollen Anwendungen wie der Luftfahrt und im Maschinenbau verwendet werden. 

Die Auswahl der richtigen Legierungselemente ist entscheidend für die Erfüllung spezifischer Anforderungen in verschiedenen Industrien, von der Automobilindustrie bis hin zur Bauwirtschaft. Unternehmen investieren in Forschung und Entwicklung, um neue Legierungsformulierungen zu entdecken, die spezifische Eigenschaften bieten und gleichzeitig nachhaltige Praktiken fördern.

Ein wichtiger Aspekt der Elektrolichtbogenofenroute ist die Integration von Recyclingmaterialien. Stahl ist das am häufigsten recycelte Material weltweit, und der Einsatz von Schrott reduziert nicht nur den Bedarf an neuen Rohstoffen, sondern auch die Umweltauswirkungen der Stahlproduktion. Durch die Verwendung von recyceltem Material wird der Energieverbrauch gesenkt, was zu einer signifikanten Verringerung der CO2-Emissionen beiträgt. 

Die Kreislaufwirtschaft in der Stahlindustrie fördert die Wiederverwendung und das Recycling von Materialien, was für die nachhaltige Entwicklung von entscheidender Bedeutung ist. Die Fähigkeit, alte Stahlprodukte in neue umzuwandeln, ohne die Qualität des Endprodukts zu beeinträchtigen, ist ein wichtiger Faktor für die zukünftige Stahlproduktion. Unternehmen setzen zunehmend auf Technologien, die den Schrott aus verschiedenen Quellen sammeln und aufbereiten, um eine hohe Qualität des recycelten Stahls zu gewährleisten. 

So wurden z.B. im Jahr 2022 von der Swiss Steel Group ca. 2,0 Mio. Tonnen Schrott recycelt, was es auch zu einem der führenden europäischen Recyclingunternehmen macht. 

Ein weiterer entscheidender Punkt des Schrottrecyclings liegt in der Rückgewinnung und Wiederverwendung von Legierungselementen wie Chrom, Nickel und Molybdän, die oft in Edelstählen enthalten sind. Der gezielte Einsatz von legiertem Schrott senkt den Bedarf an neu gewonnenen Primärrohstoffen, deren Herstellung energieintensiv ist.