Eisen und Stahl

Rohstoffe/Werkstoffe

Für die Herstellung von Werkstoffen aus Eisen und Stahl wird vor allem Eisenerz benötigt Abbildung 1: Anteil an der weltweiten Minenproduktion von Eisenerz 2020 Eisen liegt in der Natur nicht in Reinform vor. Abgebaut werden beispielsweise Magnetit (Eisengehalt bis zu 73 %), Hämatit (Eisengehalt bis zu 70 %) oder Siderit (Eisengehalt bis zu 50 %) . Das am häufigsten vorkommende Eisenerz Hämatit ist vor allem in Schweden, Brasilien, dem Ural, den USA, Elba und dem Lahn-Dill-Gebiet zu finden. Produktion Bei der Produktion von Stahl aus Eisenerz ist China führend. China produzierte im Jahr 2020 rund 996,3 Mio. Tonnen Stahl, gefolgt von Indien mit 111,4 Mio. Tonnen und Japan mit 99,3 Mio. Tonnen (vgl. Abbildung 2). Deutschland steht mit 39,6 Mio. Tonnen produziertem Stahl im Jahr 2020 an siebter Stelle . Die jährliche Rohstahlproduktion in Deutschland lag von 2010 bis 2018 konstant bei etwa 40 bis 45 Mio. Tonnen produziertem Stahl pro Jahr. Seit 2019 sinkt die deutsche Stahlproduktion. In der Produktion werden Eisenerz, Zuschlagsstoffe, Legierungsmittel und Stahlschrott über Reduktionsmittel zu Stahl verarbeitet. Als Reduktionsmittel werden Kokskohle, Einblaskohle, Öl, Erdgas und Sauerstoff eingesetzt. Die Prozessierung von Eisenerzen zu Roheisen geschieht über eine Reduktion im Hochofen . Das hier entstehende Roheisen wird im Sauerstoffblaskonverter zu Stahl verarbeitet. In Elektrolichtbogenöfen wird Stahlschrott wieder zu neuem Stahl eingeschmolzen. Diese und weitere Verfahren zur Stahlproduktion werden im Folgenden dargestellt (vgl. Abbildung 6). Abbildung 2: Rohstahlproduktion in Deutschland Abbildung 3: Wichtigste Länder weltweit nach Rohstahlproduktion 2020 Abbildung 4: Größte Stahlproduzenten 2020 Abbildung 5: Anteil der verschiedenen Stahlproduktionverfahren an der Gesamtproduktion in Deutschland seit 1950 Im ersten Schritt wird das Eisenerz in Sinteranlagen für den Hochofenprozess vorbereitet, indem verschiedene Erzkörner vermengt und durch An- und Verschmelzen zu Pellets zusammengeführt werden. Die Pellets sollen dabei mechanisch belastbar sein, um die Stabilität des aufgehäuften Materials im Hochofen zu gewährleisten. Der Hochofen wird von oben über eine Gicht abwechselnd mit Eisenpellets, Stückerz und Koks, sowie mit Zuschlägen (u.a. Kalk) befüllt . Das Gemisch aus Eisenerz, Koks und Zuschlägen wird als Möller bezeichnet . Der Hochofen wird von unten im Gegenstromverfahren mit heißer, sauerstoffreicher Luft, dem sogenannten Heißwind, durchblasen. Der Möller sinkt derweil den Hochofen herab, wo eine Temperatur von über 2000 °C erreicht werden kann. Der Kohlenstoff des Kokses reagiert bei diesen Temperaturen mit dem Sauerstoff des Heißwindes zu Kohlenmonoxid, welches im Möller enthaltene Metalloxide reduziert. Es bilden sich eine Schlackephase mit den Begleitelementen des Eisenerzes in Form von Metalloxiden und eine Eisenphase, die sich aufgrund ihres Dichteunterschieds am Boden des Hochofens trennen. Sauerstoffblasverfahren Beim Sauerstoffblasverfahren im Konverter, auch LD-Verfahren oder Oxygenstahl-Verfahren genannt, wird flüssiges Roheisen in einen kippbaren Konverter gegeben. Es können bis zu 20 % Stahlschrott hinzugegeben werden. Hauptziel des Prozesses ist die Reduktion des Kohlenstoffanteils im Roheisen. Über eine Lanze wird Sauerstoff in das System geblasen und es wird Kalk zur Erzeugung einer Schlackephase zugeschlagen. Eine Oxidationsreaktion führt zur Ausbildung von Eisenoxiden, Kohlenstoffoxiden (CO und CO2) und Oxidation der Begleitstoffe (Silizium, Mangan, Phosphor, etc.) bei einer Temperatur von 2500-3000 °C am Brennfleck sowie zur Durchmischung des Metallbades. Das gebildete Gas entweicht aus dem Prozess. Das oxidierte Eisen (FeO) reagiert mit oxidierbaren Beimengungen und Eisen (Fe) fällt aus. Es bildet sich eine Schlacke aus Oxiden und Kalk. Durch die Reaktion wird die Temperatur des Roheisens von 1300 °C auf die Stahlschmelztemperatur von 1600 °C erhöht, sodass der zugegebene feste Eisenschrott geschmolzen wird. Weiterhin kann Eisenschrott zu Kühlzwecken nachträglich zugeschlagen werden. Anschließend werden Stahl und Schlacke abgegossen. Elektrolichtbogen-Verfahren Beim Elektrolichtbogen-Verfahren wird Elektroenergie zu Wärmeenergie umgewandelt. Dabei kann bis zu 100 % Schrott eingesetzt werden, um Stahl herzustellen. In den Ofengefäßen befinden sich drei Graphitelektroden. Zunächst wird Schrott eingeschmolzen, um anschließend Zuschläge (Kalk und Flussspat) hinzuzugeben. Es folgt eine Begasung mit Sauerstoff für einen Frischprozess, bei welchem oxidierbare Verunreinigungen verschlackt werden und anschließend eine Reduktionsphase zum Sauerstoff- und Schwefelabbau. Bei Bedarf kann ein Legierungselement zugegeben werden. Wertvolle Legierungen werden beim Elektrolichtbogen-Verfahren weniger verschlackt als beim Sauerstoffaufblaskonverter. Direktreduktion Eine energiesparende, aber auch weniger produktive Alternative zu den Standardverfahren, bietet die Direktreduktion. Hierbei wird ein Schachtofen mit Stückerz und Pellets gefüllt und mit Kohlenmonoxid und Wasserstoff begast. Alternative Verfahren nutzen Drehrohr- oder Wirbelschichtöfen . Es kommt zur Reduktion der Eisenoxide, wodurch der enthaltene Sauerstoff aus dem Eisenerz herausgelöst und somit Eisen, Kohlenstoffdioxid und Wasser gebildet und ein sogenannter Eisenschwamm entsteht. Anschließend wird der Eisenschwamm abgekühlt, um Rückoxidationen zu vermeiden. Verunreinigungen werden anschließend durch ein Elektrostahlverfahren entfernt, wobei der eigentliche Rohstahl aus dem Eisenschwamm entsteht. Der Eisenschwamm kann im Elektrostahlverfahren gemeinsam mit Stahlschrott zu Stahl verarbeitet werden . Schmelzreduktion Die Schmelzreduktion, auch Corex-Prozess genannt, bietet ebenfalls eine alternative Verfahrensweise zur Stahlproduktion. In einer Vorreduktion werden Stückerz und Pellets im Gegenstromverfahren mit einem Reduktionsgas auf ca. 90 % mineralisiert, wodurch ein Eisenschwamm entsteht. Anschließend werden die Komponenten im Einschmelzvergaser eingeschmolzen und vollständig reduziert. Es werden eine Schlacke und Metallphase gebildet. Die Metallphase kann anschließend im Sauerstoff-Konverter zu Stahl prozessiert werden. Seit den 2000er Jahren wird ca. ein Drittel des Stahls mittels Elektrostahlverfahren und zwei Drittel über das Oxygenstahlverfahren hergestellt (vgl. Abbildung 5). Die Stahlproduktion besaß im Jahr 2015 einen Gesamtenergieverbrauch von 166,8 TWh. Dieser verteilt sich auf den Kohleverbrauch mit 133 TWh/a, Stromverbrauch mit 25,3 TWh/a und Erdgasverbrauch mit 20,9 TWh/a. Insgesamt wurden für die Herstellung von Stahl im Jahr 2015 59 Mt CO2 Äquivalente emittiert. Abbildung 6: verschiedene Prozesse der Stahlherstellung Nutzung Stahl als Werkstoff zeichnet sich durch seine gute Verformbarkeit, Wärmeleitfähigkeit und Strapazierfähigkeit aus. Es besitzt eine hohe Zugfestigkeit und Fließgrenze. Rostfreier Stahl hat eine hohe Korrosionsbeständigkeit. Als Stahl wird dabei eine Legierung aus Eisen mit maximal zwei Prozent Kohlenstoff und verschiedenen anderen Elementen wie Mangan, Phosphor, Schwefel, Chrom oder Nickel bezeichnet. Der Preis für eine Tonne Stahl lag im September 2020 bei ca. 214 € . Im Allgemeinen besitzt Stahl einen Kohlenstoffanteil von unter 2%. Es wird nach chemischer Zusammensetzung oder nach Hauptgüteklassen eingeteilt. Die Einteilung nach der chemischen Zusammensetzung von Stahl unterscheidet unlegierte, nichtrostende und andere legierte Stähle. Ein Stahl gilt als legiert, wenn er einen bestimmten prozentualen Massenanteil anderer Elemente besitzt. Grenzwerte sind Tabelle 1 zu entnehmen. Tabelle 1: Masseanteile verschiedener Elemente von legiertem Stahl Element Massenanteil in % Element Massenanteil in % Al 0,30 Ni 0,30 B 0,0008 Pb 0,40 Bi 0,10 Se 0,10 Co 0,30 Si 0,60 Cr 0,30 Te 0,10 Cu 0,40 Ti 0,05 La 0,10 V 0,10 Mn 1,65 W 0,30 Mo 0,08 Zr 0,05 Nb 0,06 sonstige 0,10 Nichtrostende Stähle besitzen einen Massenanteil von mind. 10,5% Chrom und max. 1,2% Kohlenstoff. Bei der Einteilung nach Güteklassen werden unlegierte Qualitäts- und Edelstähle, legierte Qualitäts- und Edelstähle sowie nichtrostende Stähle unterschieden. Unlegierte Qualitätsstähle erfüllen festgelegte Anforderungen an Zähigkeit, Korngröße und Umformbarkeit. Beispiele sind unlegierte Baustähle, Einsatzstähle, Vergütungsstähle und schweißgeeignete Feinkornbaustähle. Grundstähle zählen ebenfalls zu den unlegierten Qualitätsstählen. Eine Wärmebehandlung des Stahls ist in der Regel nicht vorgesehen. Unlegierte Edelstähle umfassen Stähle für den Stahlbau, Einsatzstähle, Vergütungsstähle, Federstähle und Werkzeugstähle. Sie werden zum Vergüten und zum Härten von Oberflächen eingesetzt. An sie werden höhere Anforderungen bezüglich des Reinheitsgrades und der genauen Einstellung der chemischen Zusammensetzung gestellt als an Qualitätsstähle. Der Gehalt an Phosphor und Schwefel darf einen Massengehalt von 0,002% nicht übersteigen. Tabelle 2: Güteklassen nach DIN 17600 Güteklasse Kurzbeschreibung Anwendungen Unlegierte Qualitätsstähle Festgelegte Anforderungen an Zähigkeit, Korngröße und Umformbarkeit Unlegierte Baustähle Einsatzstähle, Vergütungsstähle, Schweißgeeignete Feinkornbaustähle Unlegierte Edelstähle Höherer Reinheitsgrad als unlegierte Qualitätsstähle Stahlbau, Einsatzstähle, Vergütungsstähle, Federstähle, Werkzeugstähle Legierte Qualitätsstähle Besondere Anforderungen an Zähigkeit, Korngröße und Umformbarkeit Stahlbau, Schweißgeeignete Feinkornbaustähle, Schienen- und Spundbohlen, Warm- oder kaltgewalzte Flacherzeugnisse Legierte Edelstähle Genaue Einstellung der chemischen Zusammensetzung, optimierte Eigenschaften Maschinenbau, Druckbehälter, Wälzlager, Werkzeugstähle, Warmfeste Stähle Nichtrostende Stähle Genauste Anforderung an Chrom- und Kolenstoffgehalt Stähle mit den Anforderungen: korresionsbeständig, hitzebeständig oder warmfest Legierte Qualitätsstähle erfüllen besondere Anforderungen an Zähigkeit, Korngröße und Umformbarkeit. Sie werden beispielsweite im Stahlbau, für Schienen und Spundbohlen oder für warm- oder kaltgewalzte Flacherzeugnisse eingesetzt. Schweißgeeignete Feinkornbaustähle sind ein Beispiel für legierte Qualitätsstähle. Legierte Edelstähle zeichnen sich durch eine genauere Einstellung der chemischen Zusammensetzung und verbesserte Eigenschaften durch besondere Herstellungs- und Prüfbedingungen aus. Beispiele für legierte Qualitätsstähle sind Maschinenbaustähle, Stähle für Druckbehälter, Wälzlagerstähle, Werkzeugstähle und warmfeste Stähle. Schweißgeeignete legierte Feinkornbaustähle zählen zu den Edelstählen, wenn sie eine vorgegeneben Massenanteil an bestimmten Elementen besitzen. Grenzwerte sind Tabelle 3 zu entnehmen. Tabelle 3: Masseanteile verschiedener Elemente von Edelstählen Element Massenanteil in % Cr 0,50 Cu 0,50 Mn 1,80 Mo 0,10 Nb 0,08 Ni 0,50 Ti 0,12 V 0,12 Zr 0,12 Nicht rostende Stähle werden weiter nach ihrem Nickelgehalt über oder unterhalb von 2,5%, sowie nach ihren Haupteigenschaften „Korrosionsbeständigkeit“, „Hitzebeständigkeit“ und „Warmfestigkeit“ unterteilt. Die Einsatzmöglichkeiten für Stahl sind vielfältig. In Deutschland werden 35% des verwendeten Stahls in der Bauwirtschaft und 11% im Maschinenbau eingesetzt. Der Anteil des verbrauchten Stahls für Automobile ist in Deutschland mit 26% vergleichsweise hoch. Metallwaren machen 12% des Stahleinsatzes aus, für Rohre werden 9% und für Haushaltsgegenstände 2% des Stahls verbraucht. Abbildung 7: Anteil am Stahlbedarf in Deutschland Rohstoff! Stahlabfälle werden in Eigenentfall, Neuschrott und Altschrott unterteilt. Unter Eigenschrott versteht man Kreislaufschrott direkt aus der Stahlproduktion. Neuschrott bezeichnet Schrotte aus der ersten Verarbeitungsstufe. Neuschrott ist in der Regel sortenrein und ohne Verunreinigungen. Schrotte nach der Nutzungsphase, sowie Verbrauchs- und Industriegüter werden als Altschrott bezeichnet. In Deutschland liegt in etwa Verhältnis von 2:3 bei zwischen Neuschrott und Altschrott. Die Schrotte werden im Verhältnis 1:1 recycelt. Stahlschrotte werden an Anfallstellen (Industrie, Gewerbe, Kommune, Haushalte) gesammelt und vom Handel entgegengenommen. Zukaufschrott umfasst Neu- und Altschrotte. Der Eigenentfall wird meist in den Stahlwerken und Gießereien direkt wieder eingesetzt. Durch die Bundesvereinigung Deutscher Stahlrecycling- und Entsorgungsunternehmen e. V. (BDSV) und die Wirtschaftsvereinigung Stahl (WV Stahl) wurde im Jahr 2010 eine Stahlschrottsortenliste für unlegierte Kohlenstoff-Stahlschrottsorten erstellt. Diese wird durch die Europäische Stahlschrottsortenliste ergänzt. An den Schrott werden nach dieser Liste verschiedene Bedingungen bezüglich der Sicherheit, Reinheit und der Begleitstoffe gestellt. Bezüglich der Sicherheitsaspekte muss gewährleistet werden, dass sich in der Schrottsammlung keine Behälter befinden dürfen, welche geschlossen sind, keine ausreichende Öffnung besitzen oder unter Druck stehen und dadurch ein Explosionsrisiko darstellen. Weiterhin dürfen sich unter dem Schrott keine gefährlichen, brennbaren, explosionsgefährdenden oder radioaktiven Materialien befinden. Der Stahl sollte für eine ausreichende Reinheit von nicht eisenhaltigen Metallen und nicht metallischen Stoffen (z.B. Erde, Eisenoxid, Isolierung), brennbaren, nicht metallischen Materialien (z.B. Gummi, Plastik, Holz, Öl) und größeren, nicht elektrizitätsleitenden Teilen (z.B. Reifen, Holz, Beton) weitestgehend frei sein. Weiterhin sollte der Schrott von Abfällen und Nebenprodukten aus der Stahlschmelze, dem Erhitzen, dem Zurichten, Schleifen und Sägen, sowie von Begleitelementen wie Kupfer, Zinn, Blei und Legierungen mit Chrom, Nickel und Molybdän befreit sein. Eine Mischung verschiedener Stahlsorten ist nur nach vorherigen Vereinbarungen zulässig. Die Europäische Stahlschrottsortenliste unterschiedet nach Altschrott, Neuschrott, Shredderschrott, Stahlspäne, leicht legiertem Schrott mit hohem Gehalt an Begleitelementen, Schrott mit hohem Reststoffanteil, und geschreddertem Schrott aus der Müllverbrennung. Der unterliegenden Tabelle können Stahlschrottpreise von Juni 2021 entnommen werden. Tabelle 4: Stahlschrottpreise Juni 2021 Sorte Preis in €/Tonne Stahlaltschrott 375,5 Stahlneuschrott 430,4 Schwerer Stahlaltschrott 416,0 Shredderstahlaltschrott 426,5 Stahlspäne 361,0 Die Sammelrate von Stahl in der Baubranche liegt derzeit bei rund 97%. Der gesamte gesammelte Stahl wird laut der Wirtschaftsvereinigung Stahl dem Recycling zugeführt . Abbildung 8 zeigt die Stroffströme von Stahl und Fe-Guss 2013 in Deuschland Abbildung 8: Stoffströme Stahl und Fe-Guss in Deutschland 2013   Aufbereitung von Schrotten Stahl kann grundsätzlich aus allen Anwendungen recycelt werden. Es ist möglich, Stahl beliebig oft einzuschmelzen und neu zu verwenden. Dabei können durch Legierungen und weitere Behandlungen Anpassungen an neue Anwendungsbereiche vorgenommen werden. Abbildung 9: Schematische Darstellung der Aufbereitung und Wiederverwendung von Stahlschrott Der Einsatz von Stahlschrott wird durch das Remelting, also das erneute Einschmelzen von Stahlschrott in den bereits beschriebenen Sauerstoffblasverfahren und im Elektrobogenverfahren ermöglicht. Die Sortierung und Aufbereitung von Stahlschrott geschieht über eine Kombination aus verschiedenen Verfahrensschritten. Zunächst geschehen eine Sortierung und Vorbereitung oder eine physikalische Trennung durch manuelle Sortierung durch den Menschen. Optische Emissionsspektrometer oder laserinduzierte Plasmaspektroskopien könne zur Hilfe genommen werden. In diesem Schritt werden nicht metallische Produkte und verschiedene Anhaftungen, sowie wertvolle und wiederverwertbare Stoffe können durch diesen Verfahrensschritt entfernt werden. Während der Zerkleinerung wird großformatigerer Schrott durch Scheren durch hydraulische Guillotinen zum Transport und zur Beschickung in Stücke geschnitten. Durch Ballenpressen und Brikettierungen wird die Dichte des Schrotts vor der Beschickung des Ofens erhöht. Für das Schreddern und die Fragmentierung größerer Objekte in passende Stücke wird eine Hammermühle eingesetzt. Eine magnetische Trennung geschieht über Band- und Trommel-Permanentmagnete oder Elektromagnete. Hier werden eisenhaltige Schrotte von nichteisenhaltigen Schrotten getrennt. Über Funken-, magnetische, chemische und spektroskopische Prüfungen werden Stahllegierungen getrennt und klassifiziert. Thermische Methoden wie Verdampfer und Verbrennungsanlagen können Beschichtungen mit Zink, Zinn, Brennstoffen, Ölen, Fetten, Farben, Schmiermitteln und Klebstoffen entfernen. Dabei werden jeweils spezifische Kombinationen auf den genannten Verfahren eingesetzt, um den Schrott anforderungsgemäß zu behandeln. (Wirbelstromscheider, Abscheidung schwerer Medien weggelassen) Einsatz von Schrotten und Vorteile des Stahlrecyclings Momentan kann der Bedarf an Stahlerzeugnissen nicht durch das Aufkommen an Stahlschrott gedeckt werden. Weltweit wurden 2005 33% des Stahls durch Elektrolichtbogenöfen hergestellt, welche vor allem zum Einschmelzen von Stahlschrott verwendet wird. Bis 2015 sank der Anteil auf 25,1%. Der Rückgang ist vor Allem der steigenden Produktion in China zuzuschreiben. In China wurden 2015 ca. 50% des weltweiten Stahls produziert, wovon lediglich 6,1% aus Recycling-Öfen stammten. In Deutschland wurden 2019 etwa 44,6% des Stahls durch sekundäre Rohstoffe gewonnen. Damit liegt der Einsatz von Sekundärmaterial von Stahl leicht über dem von Kupfer allerdings wesentlich niedriger als der von Aluminium. Die verhältnisse sind in Abbildung 10 dargestellt. Abbildung 10: Anteil sekundärer Rohstoffe an der Produktion von Kupfer, Aluminium und Rohstahl in Deutschland im Jahr 2019 Beim Rezyklieren von einer Tonne Stahlschrott können 1,4 Tonnen Eisenerz, 0,6 Tonnen Kohle, 55 kg Kalk, 1,35 Tonnen CO_2-Äauivalente und 13,4 GJ Primärenergie eingespart werden. Prozentual bedeutet dies eine Einsparung von 77% CO_2-Emissionen, 75% Energie, 90% Rohstoffe, 40% Wasser, 76% Wasserverunreinigung und 86% Luftverunreinigung. Bei Edelstahl können Einsparungen von ca. 4,5 Tonnen pro Tonne Edelstahlschrott verzeichnet werden, da enthaltene Legierungen mit Nickel, Chrom und Molybdän mit hohem Treibhaus und Energieaufwand einher gehen. Allein in Deutschland können pro Jahr 17 Mio. Tonnen CO_2-Äquivalent durch Stahl-Recycling vermieden werden. Tabelle 5: Einsparungen durch den Einsatz von Sekundärmaterial bei der Stahlherstellung Ressource Einsparungen in % CO2 - Emissionen 77% Energie 75% Rohstoffe 90% Wasser 40% Wasserverunreinigungen 76% Luftverunreinigungen 86% Beispiele für Schrottqualitäten Leichter Altschrott: Material aus Abbruch und Industrie, gebrauchte und funktionsunfähige Ware; unter 6 mm Stärke Pakete: Leichter Stahlneuschrott, unter 3mm Stärke, verdichtet oder in Form von festen Paketen Stahlspäne: Homogene oder gemischte Lose von Kohlenstoffstahlspänen, frei von zu hohem Anteil wolliger Späne, frei von jeglicher Verunreinigung wie NE-Metalle, Zunder, Schleifstaub und stark oxydierten Spänen oder Stoffen der chemischen Industrie Literaturverzeichnis <references>