Eisen und Stahl

Rohstoffe/Werkstoffe

Für die Herstellung von Stahl wird vor allem Eisenerz benötigt . Rund 80 % des weltweit abgebauten Eisenerzes stammt aus Australien, China, Brasilien und Indien. Weiterhin wird unter anderem in Russland, Südafrika, der Ukraine, den USA, Kanada, Schweden, Kasachstan, dem Iran und Indonesien Eisenerz abgebaut. Weltweit wurden im Jahr 2017 1,6 Mrd. Tonnen Eisenerz abgebaut. Allein In Australien wurden 2017 548,3 Mio. Tonnen Eisenerz gefördert, gefolgt von China mit 331,9 Mio. Tonnen, Brasilien mit 273,7 Mio. Tonnen und Indien mit 124,6 Mio. Tonnen. Der Bedarf ist dabei stiegen. Eisen liegt dabei 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. 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. Deutschland steht mit 39,6 Mio. Tonnen produziertem Stahl pro Jahr an siebter Stelle. In der Produktion werden Eisenerz, Zuschlagsstoffe, Legierungsmittel und Stahlschrott über Reduktionsmittel zu Stahl verarbeitet. Als Reduktionsmittel wirken dabei Kokskohle, Einblaskohle, Öl, Erdgas und Sauerstoff. Abbildung 1: Rohstahlproduktion in Deutschland Herstellung Die Prozessierung von Eisenerzen zu Roheisen geschieht über eine Reduktion im Hochofen. Das entstandene Roheisen wird im Sauerstoffblaskonverter zu Stahl verarbeitet. Im Elektrolichtbogenöfen wird Stahlschrott wieder zu neuen Stahl eingeschmolzen. [[Datei:Rohstahlproduktion nach Ländern.png|thumb|500px|Abbildung 2: Wichtigste Länder weltweit nach Rohstahlproduktion 2020 ] Abbildung 3: Größte Stahlproduzenten 2020 [8] Im ersten Schritt wird das Eisenerz in Sinteranlagen auf 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 [5,6]. Das Gemisch aus Eisenerz, Koks und Zuschlägen wird als Möller bezeichnet [9]. 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, welche durch ihren Dichteunterschied am Boden des Hochofens getrennt werden können. Bei dem 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 CO_2) 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 gebildete FeO reagiert mit oxidierbaren Beimengungen und Eisen (Fe) fällt wieder aus. Es bildet sich eine Schlacke aus den Oxiden und dem Kalk. Durch die Reaktion wird die Temperatur des Roheisens von 1300 °C auf die Stahlschmelztemperatur von 1600 °C erhöht, sodass zuvor der zugegebene feste Eisenschrott geschmolzen wird. Weiterhin kann Eisenschrott zu Kühlzwecken nachträglich zugeschlagen werden. Anschließend werden Stahl und Schlacke abgegossen. [6,10] Bei dem Elektrolichtbogen-Verfahren wird Elektroenergie zu Wärmeenergie umgewandelt. Dabei kann bis zu 100% Schrott eingesetzt werden, um Stahl herzustellen. In Ofengefäßen befinden sich drei Graphitelektroden. Zunächst wird Schrott eingeschmolzen, um anschließend Zuschläge (Kalk und Flussspat) hinzuzugeben. Es folgt zunächst eine Begasung mit Sauerstoff für einen Frischprozess, bei welchem oxidierbare Verunreinigungen verschlackt werden und darauffolgend eine Reduktionsphase zum Sauerstoff- und Schwefelabbau. Bei Bedarf kann ebenfalls ein Legierungselement zugegeben werden. Wertvolle Legierungen werden beim Elektrolichtbogen-Verfahren weniger verschlackt als beim Sauerstoffaufblaskonverter. [10] 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. [11] Alternative Verfahren nutzen Drehrohr- oder Wirbelschichtöfen [12]. Es kommt zur Reduktion der Eisenoxide, wodurch der enthaltene Sauerstoff aus dem Eisenerz herausgelöst und somit Eisen, Kohlenstoffdioxid und Wasser gebildet. Ein sogenannter Eisenschwamm entsteht. Anschließende wird der Eisenschwamm abgekühlt, um Rückoxidationen zu vermeiden. Verunreinigungen werden anschließend durch ein Elektrostahlverfahren entfernt, wobei der eigentliche Rohstahl aus dem Eisenschwamm entsteht. [11] Der Eisenschwamm kann im Elektrostahlverfahren gemeinsam mit Stahlschrott zu Stahl verarbeitet werden [13]. 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 [14]. Abbildung 4: verschiedene Prozesse der Stahlherstellung[12] 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 CO_2 Äquivalent emittiert. [15]

Produktion

Stahl als Werkstoff zeichnet sich durch seine gute Verformbarkeit Wärmeleitfähigkeit und Strapazierfähigkeit aus. Es besitzt eine hohe Zugfestigkeit und Fließgrenze. Rostfreier Stahl besitzt eine hohe Korrosionsbeständigkeit. Als Stahl wird dabei eine Legierung aus Eisen mit maximal zwei Prozent Kohlensoff und verschiedenen anderen Elementen wie Mangan, Phosphor, Schwefel, Chrom oder Nickel bezeichnet. [16] Der Preis für eine Tonne Stahl lag im September 2020 bei ca. 214 € [17]. 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 der untenliegenden Tabelle zu entnehmen. [18] 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. [18] 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. [18] Tabelle 1: 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 der unterliegenden Tabelle zu entnehmen. [18] 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. [18]

Nutzung

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. [19] Abbildung 5: Anteil am Stahlbedarf in Deutschland (17)

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. [20] 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. [20] 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. [21] 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. [22] 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. [22] Der unterliegenden Tabelle können Stahlschrottpreise von Juni 2021 entnommen werden. Sorte Preis in €/Tonne Stahlaltschrott 375,5 Stahlneuschrott 430,4 Schwerer Stahlaltschrott 416,0 Shredderstahlaltschrott 426,5 Stahlspäne 361,0 Quelle: [23] Die Sammelrate von Stahl in der Baubranche liegt derzeit bei rund 97%. Der gesamte gesammelte Stahl wird laut der Wirtschaftsvereinigung Stahl dem Recycling zugeführt. [24] Abbildung 6: Stoffströme Stahl und Fe-Guss in Deutschland 2013 Quelle: [25]   Recycling – Sekundärmetallurgie 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. [26] 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) [27] Quelle: [26] Recyclingquoten 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, während lediglich 6,1% aus den Recycling-Öfen stammt. [13] In Deutschland wurden 2019 etwa 44,6% des Stahls durch sekundäre Rohstoffe gewonnen. 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. [27] Einsparungen in % CO2 - Emissionen 77% Energie 75% Rohstoffe 90% Wasser 40% Wasserverunreinigungen 76% Luftverunreinigungen 86% Beispiele für Schrottqualitäten Abbildung 7: Leichter Altschrott: Material aus Abbruch und Industrie, gebrauchte und funktionsunfähige Ware; unter 6 mm Stärke [28] Abbildung 8: Pakete: Leichter Stahlneuschrott, unter 3mm Stärke, verdichtet oder in Form von festen Paketen [28] Abbildung 9: 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 [28]