Schweissen von Eisen_Stahl und Nickelwerkstoffen Leseprobe

1 Erzeugung der Stähle
1.1 Allgemeines
Eisen ist in der Natur sehr weit verbreitet. In der Rangfolge der Häufigkeit der Elemente in der
Erdkruste steht es an vierter Stelle und ist damit nach dem Aluminium das häufigste metallische
Element. Aufgrund seiner Reaktionsfreudigkeit kommt es jedoch nicht gediegen, d. h. chemisch
rein, sondern an andere Elemente gebunden, als Erz vor. Zu diesen Elementen zählen z. B. die
Halogene Fluor, Chlor, Brom, Jod und Astat sowie die Elemente Schwefel , Phosphor ,
Kohlenstoff , Silizium und vor allem Sauerstoff .
Zu den wichtigsten oxidischen Eisenerzen zählen u. a. Magnetit (Magneteisenstein) und Hämatit
(Roteisenstein). Hydroxidische Eisenerze sind Goethit, Siderit und Limonit (Brauneisenstein oder
Raseneisenerz). Das bekannteste sulfidische Eisenerz ist der goldglänzende Pyrit (Schwefelkies).
Die Eisenerzvorkommen der Erde werden auf ca. 500 Milliarden Tonnen geschätzt. Dabei stieg
die Weltrohstahlerzeugung von 40 Millionen Tonnen im Jahr 1900 auf 962 Millionen Tonnen im
Jahr 2003 an (Bild 1-1). Im Jahr 2004 wurde erstmals die Eine-Milliarde-Tonnen-Grenze
überschritten. Die Bundesrepublik Deutschland steht dabei mit etwa 45 Millionen Tonnen
Jahreserzeugung an sechster Stelle in der Weltrangliste. War bis 2002 der EU-Wirtschaftsraum
der größte Stahlproduzent der Welt, wurde er im gleichen Jahr durch China abgelöst.
Bild 1-1. Weltstahlerzeugung nach Regionen (Quelle IISI, Stahl-Zentrum).
Neben den jeweiligen Eisenverbindungen enthalten Eisenerze weitere mineralische Verbindungen,
die auch als Gangart bezeichnet werden.
Bevor metallisches Eisen als Hauptbestandteil von Stählen technisch genutzt werden kann, muss
es zunächst aus dem Erz „herausgelöst“ werden. Diese Aufgabe erfüllt die Eisenverhüttung
(vergleiche Abschnitt 1.2).
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Die Produkte der Eisenverhüttung, das Roheisen oder der Eisenschwamm, werden anschließend
im Stahlwerk raffiniert, also in Stähle unterschiedlichster Sorten und Güten umgewandelt (Bild
1-2, linkes Teilbild).
Einen schematischen Überblick über gegenwärtig großtechnisch genutzte Verfahren auf dem Weg
vom Roheisen bis zum fertigen Stahl enthält Bild 1-2, linkes Teilbild. Wie zu erkennen ist, können
sowohl bei der Erzreduktion (Metallisierung, Verhüttung) als auch bei der Stahlherstellung z. T.
sehr unterschiedliche technische Methoden zur Anwendung kommen.
Bild 1-2. Roheisen und Stahlherstellung (linkes Teilbild: Überblick über allgemeine Verfahrensschritte zur
Stahlherstellung, rechtes Teilbild: schematischer Aufbau eines Hochofens sowie wichtige Reaktionen).
1.2 Eisenverhüttung
1.2.1 Vorbereitung der Hochofeneinsatzstoffe
Für eine optimale Durchgasung der Schüttsäule ist die Vorbereitung der Einsatzstoffe ein
wichtiger Bestandteil für das Hochofenverfahren. Eisenerze werden in Form von Stückerzen,
Sinter und Pellets eingesetzt. Stückerze sind natürlich abgebaute Erze, die vor ihrer Verwendung
auf eine bestimmte Körnung gebrochen und gesiebt werden. Im Verlauf ihrer Aufbereitungs- und
Anreichungsprozesse zur Anhebung des Fe-Gehaltes fallen zunehmend auch sehr feinkörnige
Erze an, die agglomeriert werden müssen, bevor sie als Einsatz für den Hochofen Verwendung
finden können. Dieses erfolgt durch Pelletieren und Sintern.
Beim Pelletieren werden Feinsterze und Konzentrate mit Korngrößen von weit unter 1 mm zu
Kügelchen von etwa 10 bis 15 mm Durchmesser geformt. Zu diesem Zweck wird die Erzmischung
angefeuchtet und mit einem Bindemittel versehen. In Drehtrommeln oder auf
Drehtellern erfolgt dann die Einformung von sogenannten „Grünpellets“. Diese werden getrocknet
und bei Temperaturen von mehr als 1.000 °C gebrannt.
Die Sinterung (Sintern = Zusammenbacken) erfolgt auf Bandsinteranlagen, die Bandbreiten von
mehr als 4 m und Bandlängen von über 100 m aufweisen können. Für die Sinterung wird eine
Mischung aus Feinerzen zusammen mit Koksgrus, Zuschlägen, Kreislaufmaterialien und Rückgut
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auf einen umlaufenden Rost, das Sinterband, gegeben und der in der Oberfläche enthaltene
Koksgrus mit Gasflammen in einem Ofen gezündet. Ein Gas- bzw. Luftstrom wird von oben nach
unten durch die Mischung gesaugt. Eine Wärmefront durchläuft so über die Bandlänge die ca.
500 mm dicke Schicht und bewirkt ein Zusammenbacken der Mischung zu groben Erzklumpen.
Alle Eisenerzträger enthalten Sauerstoff , der im Hochofenprozess durch Reduktion entfernt
werden muss. Dazu wird Kohlenstoff eingesetzt. Der wichtigste Kohlenstoffträger ist der
Hochofenkoks, der heute in modernen, umweltfreundlichen Kokereien hergestellt wird. Unter
Verkoken ist das Erhitzen von Kohle in Kokskammern unter Luftabschluss zu verstehen. Dabei
werden die flüchtigen Bestandteile wie Koksofengas, Teer, Benzol, Schwefelwasserstoff,
Ammoniak ausgetrieben, aufgefangen und anderer Verwendung zugeführt.
1.2.2 Hochofenprozess
Das wichtigste Aggregat zur Verhüttung von oxidischen Eisenerzen war und ist der Hochofen mit
Kokseinsatz, welcher um 1735 von A. DARBY in England entwickelt wurde.
In den Hochofen werden über den Gichtverschluss (Bild 1-2, rechtes Teilbild) fortlaufend schichtweise
Koks und Möller, ein Gemisch aus Erz und Kalkstein, eingefüllt. Während des langsamen
Absackens zur eigentlichen Reaktionszone erwärmt sich der Einsatz mehr und mehr. Gleichzeitig
wird über die Windleitung im unteren Teil des Hochofens auf 600 bis 1300 °C vorgewärmte Luft,
der sogenannte Heißwind, eingeblasen. Dadurch wird bewirkt, dass die Luft (einschließlich
Zugaben von Heizöl oder Kohlenmonoxid) im Inneren des Hochofens von unten nach oben
gedrückt wird.
Von der heißen Luft wird der Kohlenstoff des glühenden Kokses zunächst zu CO 2 verbrannt,
welches sich jedoch sofort mit dem Koks wieder zu CO umwandelt. Das aufsteigende
Kohlenmonoxid entzieht dem Eisenerz den Sauerstoff und oxidiert dabei zu Kohlendioxid,
welches sich infolge des Kontaktes mit dem glühenden Koks sofort wieder zu CO umsetzt.
Dieser Vorgang vollzieht sich im stetigen Wechsel bis etwa zur Höhe des halben Schachtes und
kommt dann infolge der im oberen Ofenbereich niedriger werdenden Temperaturen zum Erliegen.
Da nicht das ganze Kohlenmonoxid bei der Reduktion verbraucht wird, enthält das Abgas des
Hochofens, das Gichtgas, noch soviel CO, dass es brennbar ist. Aus diesem Grund kommt es u. a.
im sogenannten Winderhitzer als Brenngas zur Vorwärmung der Luft zur Anwendung, die später
wieder in den Ofen eingeblasen wird.
In Bild 1-2, rechtes Teilbild wurden neben dem schematischen Aufbau eines Hochofens ebenfalls
die wichtigsten in diesem Aggregat zur Eisenerzreduktion ablaufenden chemischen Reaktionen
sowie die Temperaturverteilung über den Ofenquerschnitt eingetragen.
Über den Abstich im unteren Ofenbereich wird das im Verlauf der Reduktion der Eisenerze
entstandene flüssige Roheisen in spezielle Pfannen entleert und kann anschließend an das
Stahlwerk zur Raffination übergeben werden.
Große Hochöfen (Gestelldurchmesser rund 15 m; Gesamtvolumen rund 6.000 m³) produzieren ca.
12.000 t Roheisen pro Tag oder 4 Mio. t Roheisen pro Jahr. Dafür müssen täglich große
Materialströme bewegt und zugeführt werden, z. B.: 19200 t Eisenerzträger, 4.000 t Koks, 1.750 t
Einblaskohle, 11 Mio. m³ Luft, die in Winderhitzern auf über 1.200 °C erhitzt werden. Weiterhin
fallen täglich 3.300 t Schlacke an, die überwiegend als Baustoff in der Zementindustrie oder im
Straßenbau verwertet wird, sowie 17 Mio. m³ Hochofengas.
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Die Lebensdauer eines Hochofens, d. h. die Zeitspanne, bis seine feuerfeste Ausmauerung vollständig
erneuert werden muss, beträgt gegenwärtig 15 bis 20 Jahre.
1.2.3 Direkt- und Schmelzreduktionsverfahren
1.2.3.1 Direktreduktionsverfahren
Neben dem Hochofenprozess (vergleiche Abschnitt 1.2.1) wurden zur Erzeugung von
metallisiertem Eisen ebenfalls Verfahren entwickelt, die Erze unter Umgehung von Koks
reduzieren – die sogenannten Direkt- und Schmelzreduktionsverfahren. Diese kommen insbesondere
dort zur Anwendung, wo entweder qualifizierter Hochofenkoks nicht in ausreichender
Menge zur Verfügung steht oder die Verwendung von gasförmigen, flüssigen bzw. festen
Reduktionsmitteln, wie Wasserstoff , Erdgas, Kohlenmonoxid, Erdöl, Feinkohle, Braunkohle
aber auch Schwelkoks, wirtschaftlich vertretbar ist. Direktreduktionsverfahren können auch mit
dem Hochofenprozess zur Erzreduktion kombiniert werden.
Tabelle 1-1. Auswahl von Verfahrensprinzipien für die Direktreduktion.
Verfahren Merkmale Beispiele für Varianten
Festbett-
(Schachtofen-)
Stückerze oder von 3,5 bis 26 mm werden in zylindrischen, Midrex-Verfahren
senkrecht angeordneten Reaktionskammern chargenweise Purofer-Verfahren
Verfahren oder kontinuierlich mit heißen Reduktionsgasen beaufschlagt. Hyl-III-Verfahren
Fließbett-
(Wirbelschicht-)
Verfahren
Drehrohrofenverfahren
Gemahlene Eisenerze mit 0,05 bis 3,5 mm Körnung und
eventuell zerkleinerter Walzsinter oder -zunder werden im
Reaktionsgefäß behandelt. Absinkenden Feststoffteilchen
strömt Heiz- und Reaktionsgas entgegen, wobei die Reduktion
abläuft.
Einsatzgut wird an der höchsten Stelle eines schrägstehenden,
rotierenden Ofens eingesetzt. Es bewegt sich kontinuierlich
abwärts und wird dabei durch Reaktionsgase erhitzt und
reduziert.
FIOR-Verfahren
Iron-Carbide-Verfahren
SL/RN-Verfahren
Krupp-Codir-Verfahren
Im Unterschied zum Hochofenprozess mit seinem Endprodukt, dem schmelzflüssigen Roheisen,
laufen die Verfahren zur direkten Gewinnung eines stahlartigen Zwischenerzeugnisses aus
Eisenerzen und Zwischenprodukten, dem sogenannten Eisenschwamm, bei Temperaturen unterhalb
der Verflüssigung, also im festen Zustand, ab.
Der im Ergebnis der direkten Reduktion entstandene Eisenschwamm (DRI = Direct Reduced Iron)
ist ein poröses, mit Anteilen von Gangartstoffen und Eisenoxiden verunreinigtes Produkt mit
einem Eisengehalt von ca. 95 %.
In Abhängigkeit vom jeweiligen Verfahrensprinzip werden die Direktreduktionsverfahren in Festbett-
(Schachtofen-), Fließbett- (Wirbelschicht-) und Drehrohrofenverfahren unterteilt (Tabelle
1-1, Bild 1-3).
1.2.3.2 Schmelzreduktionsverfahren
Im Unterschied zur Direktreduktion wird bei der Schmelzreduktion zweistufig gearbeitet. Dabei
werden zunächst die Erze zu Eisenschwamm reduziert und dieser anschließend unter Einsatz von
Kohle und Sauerstoff zu einem hochofenähnlichen Roheisen umgewandelt. Von den Schmelz-
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eduktionsprozessen wird bisher lediglich das Corex-Verfahren großtechnisch angewendet. Die
gegenwärtig weltweit existierenden vier Anlagen in Indien, Südafrika und Südkorea produzierten
im Jahr 2002 zusammen 2,7 Mio. t Roheisen.
Beide Verfahrensweisen sind von der Wirtschaftlichkeit her auf bestimmte Regionen und
Anlagenkonfigurationen begrenzt und können die Produktionsleistungen eines großen Hochofens
bei weitem nicht erreichen.
Bild 1-3. Schematische Darstellung verschiedener Direktreduktionsverfahren (a – Schachtofenverfahren, b –
Wirbelschichtverfahren, c – Drehrohrofenverfahren).
1.2.4 Stahlraffination
Da das Roheisen noch eine Reihe störender Begleitelemente wie Kohlenstoff , Silizium ,
Schwefel und Phosphor enthält, müssen diese im weiteren Verlauf der Stahlraffination
entfernt werden. Dieser „Reinigungsprozess“ erfolgt im Stahlwerk und untergliedert sich im
Wesentlichen in zwei Hauptprozesse – der Rohstahlerzeugung (dem Frischen) und der
Sekundarmetallurgie. Dabei werden die Begleitstoffe oxidiert und entweichen entweder gasförmig
(z. B. als CO 2 ) oder schwimmen als Schlacke von festen Oxiden auf dem flüssigen Stahl auf.
• Rohstahlerzeugung
Etwa 70 Prozent des in Deutschland produzierten Stahles werden nach dem Sauerstoffaufblasverfahren
und 30 Prozent nach dem Elektrostahlverfahren erzeugt. Bei Ersterem wird mit
einem Düsenrohr, der Sauerstofflanze, aus unterschiedlichen Höhen mit Überdruck und
Überschallgeschwindigkeit technisch reiner Sauerstoff auf die im Konverter befindliche
flüssige Metallmischung geblasen (Bild 1-4, linkes Teilbild). Diese als LD-Verfahren (LD = Linz-
Donawitz oder Linz-Durrer-Verfahren) Rohstahlerzeugungstechnologie dient vor allem zur
Verarbeitung von phosphorarmen Roheisen. Das Aufblasen dauert ca. 20 Minuten, wobei sich die
Mischung von rund 1.150 auf 1.650 °C erwärmt. Zu Kühlzwecken erfolgt die Zugabe von Schrott
in den Konverter. In Abhängigkeit von der Art der im Roheisen enthaltenen Beimengungen
werden weitere Beimengungen und Zuschläge hinzugegeben, deren Aufgabe in der Bildung der
benötigten Schlacken besteht.
Für die Raffination von phosphorreichem Roheisen wurde das LDAC-Verfahren (LDAC =Linz-
Donawitz-Arbed-Centre-National-Verfahren) entwickelt. Hier wird im Unterschied zum LD-
Verfahren in einem zweiten Aufblasprozess nach dem Schlackenabguss zusammen mit dem
Sauerstoff zusätzlich Kalkstaub aufgeblasen. In Abhängigkeit vom jeweiligen Stahlproduzenten
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existieren weltweit neben dem LD- und dem LDAC-Verfahren weitere Varianten und -modifikationen
des Sauerstoffblasverfahrens, z. T. zur Erhöhung der Effizienz aber auch zur Umgehung
bestehender Patente. So sind z. B. auch Kombinationen zwischen bodenblasenden Konvertern und
dem Aufblasverfahren bekannt (Bild 1-4, linkes Teilbild).
Bild 1-4. Stahlerzeugungsanlagen (linkes Teilbild: schematischer Aufbau eines Sauerstoff-Konverters,
rechtes Teilbild: schematische Darstellung eines Drehstrom-Lichtbogen-Ofens).
Im Gegensatz zu den Sauerstoffblasverfahren kommen beim Elektrostahlverfahren in Abhängigkeit
von der jeweiligen Verfahrensvariante kein oder nur geringe Mengen an Roheisen zum
Einsatz. Der Stahl wird hier im Wesentlichen aus Eisenschrott in elektrischen Lichtbogen- oder
Induktionsöfen erschmolzen. Das rechte Teilbild von Bild 1-4 enthält in diesem Zusammenhang
die schematische Darstellung eines Drehstrom-Elektroofens. Wie zu erkennen ist, stellt im
Lichtbogenofen die Metallschmelze die eine Elektrode und die darüber installierten Graphitstäbe
die andere Elektrode dar. Wird der Stromkreis des Ofens geschlossen, bildet sich somit zwischen
beiden Elektroden ein Lichtbogen, der als Wärmequelle wirkt und das Aufschmelzen des festen
Einsatzes bewirkt. Demgegenüber wird im Induktionsofen die Wärme in einer Spule, dem
Induktor, erzeugt. Dieses Verfahren eignet sich besonders gut für die Herstellung von hochlegierten
Stählen sowie Mindermengen and Sonderstählen sowie Spezialwerkstoffen, die z. B.
nach Kundenspezifikation nach besonderen Vorgaben hergestellt werden müssen.
Bei der Stahlherstellung im Elektrolichtbogenofen für die Block- und Stranggussproduktion ist die
basische Ofenzustellung bestimmend, während saure Ofenzustellungen nur noch für kleinere Öfen
in Gießereien Anwendung finden.
Das Siemens-Martin-Verfahren ist ein heute in Europa nur noch selten angewandtes Verfahren
zur Reinigung von Roheisen mit dem Ziel der Stahlgewinnung. In Westeuropa wurde das
Siemens-Martin-Verfahren weitgehend durch Sauerstoffblasverfahren (s. o.) verdrängt, in den
USA und Russland sowie einigen osteuropäischen Ländern gehört es noch zu den am häufigsten
angewandten Verfahren. Das letzte Siemens-Martin-Werk in Westeuropa (1993 stillgelegt)
befindet sich in Brandenburg an der Havel. Heute ist es ein Industriemuseum.
Das Siemens-Martin-Verfahren gehört wie auch die Elektrostahlprozesse zu den sogenannten
Herdfrischverfahren. Es wurde 1864 von dem deutschen Techniker Wilhelm von Siemens und
dem französischen Hüttenfachmann Pierre Martin entwickelt und nach ihnen benannt.
Ursprünglich bezeichnete es nur das Zusammenschmelzen von Roheisen und Stahlschrott, später
wurde dazu übergegangen, auch Erz mit einzuschmelzen (Erzschmelzverfahren).
Beim Siemens-Martin-Verfahren wird der oxidative Effekt durch die Zugabe eines bestimmten
Anteils an Roheisen und/oder Schrott erreicht (z. B. im Verhältnis 40:60), die Sauerstoff an die
Schmelze abgeben. Für das Verfahren wird ein spezielles Schmelzaggregat benötigt. Dieses
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esteht aus einem flachen Herdofen, dem Martinofen (Oberofen). In ihm wird das Roheisen und
eventuell zugegebener Schrott geschmolzen. Üblicherweise wird er meist mit der SIEMENSschen
Regenerativfeuerung kombiniert, die in einer darunterliegenden Kammer untergebracht ist
(Unterofen). Bei der Regenerativfeuerung werden in Regenerationskammern die gasförmigen
Brennstoffe durch die Abgase aus dem Ofen vorgewärmt. Auch die heißen Flammgase haben
oxidative Wirkung und werden direkt in die Schmelze geleitet. Eine schematische Darstellung
eines Siemens-Martin-Ofens enthält Bild 1-5, rechtes Teilbild.
Bild 1-5. Stahlerzeugungsanlagen (linkes Teilbild: schematischer Aufbau eines SIEMENS-MARTIN-Ofens,
rechtes Teilbild: schematischer Aufbau einer Stranggussanlage).
DIN EN 10025-2 schließt die Herstellung von Stählen nach dem Siemens-Martin-Verfahren
ausdrücklich aus.
1.2.5 Sekundärmetallurgie
Unter dem Begriff der Sekundärmetallurgie, auch als Pfannenmetallurgie bezeichnet, wird die
Zusammenfassung aller außerhalb der Primärschmelzaggregate durchgeführte Behandlungen des
flüssigen Metalls verstanden. Sie wurde entwickelt, um die Schmelzaggregate von zeitaufwendigen
oder schwer durchführbaren metallurgischen Operationen, wie:
– Entgasung,
– Feinentkohlung,
– Desoxidation,
– Tiefentschwefelung,
– Entfernung nichtmetallischer Einschlüsse,
– Legieren und
– Homogenisieren
zu entlasten, um damit die Wirtschaftlichkeit, Produktivität und Qualität der Stahlerzeugung
erhöhen zu können.
Ein wichtiges sekundärmetallurgisches Verfahren stellt die Vakuumbehandlung von flüssigem
Stahl dar. Diese wurde ursprünglich zur Erzielung niedriger Wasserstoffgehalte in großen
Schmiedeblöcken eingeführt, um Ausfälle durch sogenannte Flockenbildung, d. h. Wasserstoffrissigkeit,
auszuschalten. Im Zuge der Weiterentwicklung dieser Verfahren hat die Vakuumbehandlung
eine Reihe weiterer Aufgaben zu lösen:
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– Verminderung der im Stahl atomar gelösten Gase Wasserstoff und Stickstoff .
– Abbau des gelösten Sauerstoffs durch die Kohlenstoffdesoxidation.
– Entkohlung unlegierter und hochlegierter Schmelzen bis auf Gehalte von ≤ 0,02 % C (Vakuumfrischen).
– Legieren.
– Entschwefeln mit Schlackengemischen.
Zu den unter Atmosphärendruck ablaufenden sekundärmetallurgischen Verfahren zählen insbesondere
die Spül- und die Reaktionsgasbehandlung. Dabei kommen z. B. die Spülgasbehandlung
mit Argon oder Stickstoff sowie das Frischen hochlegierter Schmelzen mit
Reaktionsgasgemischen in speziellen Konvertern zur Anwendung.
Für die sekundärmetallurgische Entphosphorung und Entschwefelung von Stahlschmelzen sind
Schlacke-Metall-Reaktionen typisch. Schlackenreaktionsverfahren eignen sich jedoch auch zur
Desoxidation sowie zur Abscheidung nichtmetallischer Einschlüsse.
Bei der Pulverinjektion in Stahlschmelzen werden feste Teilchen mit einem Fördergas (auch
Trägergas genannt) in das flüssige Metall eingeblasen. Diesem sekundärmetallurgischen
Verfahren liegt die Tatsache zugrunde, dass mit kleiner werdender Teilchengröße die spezifische
Oberfläche des Pulvers und damit auch die Kontakt-, d. h. die Reaktionsfläche, zur Metallschmelze
zunimmt. Mit einer Injektionsbehandlung können die nachfolgend aufgeführten
Maßnahmen durchgeführt werden:
– Entfernung unerwünschter Begleit- und Verunreinigungselemente,
– Desoxidation,
– Legieren,
– Aufkohlen,
– Aufsticken oder Stickstoffabsenkung ,
– modifizieren der nichtmetallischen Einschlüsse,
– Temperatureinstellung durch Kühlung.
1.3 Vergießen von Stahl
Nachdem der noch flüssige Stahl legierungstechnisch durch die oben beschriebenen raffinationsund
sekundärmetallurgischen Verfahren so eingestellt ist, wie es der jeweils gewünschten Sorte
entspricht, muss er vergossen werden. Dieses erfolgt im Strang- oder im Blockguss (Bild 1-5,
rechtes Teilbild). Heute werden in der Bundesrepublik Deutschland nahezu 100 % der Rohstahlerzeugung
im Strang vergossen. Da Deutschland jedoch einen Teil seines Stahlbedarfs aus
Importen bezieht, können somit neben im Strang- auch im Block vergossene Stähle zur Auslieferung
kommen. Somit soll im nachfolgenden auf die Besonderheiten beider Technologien und
ihre möglichen Auswirkungen auf die Eigenschaften der Endprodukte näher eingegangen werden.
Während im Strang vergossene Stähle häufig durch eine ausgeprägte Mittenzeile auffallen (Bild
1-8), macht sich beim Blockguss die Art der Vergießung, d. h., ob unberuhigt (FU), beruhigt (FN)
oder vollberuhigt (auch doppelt oder besonders beruhigt, FF), auf die Gefügeausbildung bemerkbar.
Beim klassischen Blockguss erstarrt der unberuhigte Stahl in der Kokille unter starker Gasentwicklung
(Kohlenmonoxid) und Schmelzbadbewegung. In diesem Zusammenhang wird auch
von einer sogenannten „Kochreaktion“ gesprochen.
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Die bis zum Abschluss der Erstarrung vorhandene Bewegung der Schmelze bewirkt beim unberuhigten
Blockguss eine ungleichsinnige Verteilung der im Stahl vorhandenen Elemente,
besonders des Phosphors, des Schwefels, des Kohlenstoffs und des Mangans. Somit kommt es zur
Entmischung der ursprünglich homogenen Schmelze. Diese auch als Blockseigerung
bezeichnete Erscheinung führt zu signifikanten Unterschieden der Verteilung der genannten
Elemente über den Querschnitt eines Blocks bei den so vergossenen Stählen. Die höchsten
Gehalte sind dabei im Kern des Blockkopfes, also im Werkstoffinneren, zu finden. Demgegenüber
weist die Randschicht eines solchen Blockes eine hohe Reinheit auf und wird somit auch als
„Speckschicht“ bezeichnet (Bild 1-6, linkes Teilbild).
Bild 1-6. Beispiele für im Blockguss hergestellten Blöcken
(linkes Teilbild: Schnitt durch einen unberuhigt vergossenen
Block, rechtes Teilbild: Schnitt durch einen beruhigt vergossenen
Block).
In diesen Seigerungszonen (Bild 1-7, beide Teilbilder) ist u. a. mit erhöhter Aufhärtungsneigung,
Porenbildung, Sprödbruchgefahr, Heißrissneigung und Alterungsversprödung zu
rechnen. Die oberste Regel beim Schweißen unberuhigter Stähle lautet daher, Seigerungszonen
dürfen möglichst nicht angeschmolzen werden.
Bild 1-7. Makroschliff durch unberuhigte
Altstähle (Seigerungszonen, Schlackeneinschlüssen
und FRY’sche Kraftwirkungsfiguren).
Beruhigt bzw. vollberuhigt vergossene Stähle zeigen im Blockguss eine solche intensive
Badbewegung nicht. Bei ihrer Desoxidation mit Aluminium wird außer Sauerstoff ebenfalls
Stickstoff zu schwerlöslichen Aluminiumnitriden abgebunden, so dass aufgrund vieler
Kristallisationskeime ein Stahl mit feinkörnigerem Gefüge entsteht. Darüber hinaus weisen im
Block beruhigt vergossene Stähle keine ausgeprägte Blockseigerung , jedoch auch keine saubere
„Speckschicht“ mehr auf (Bild 1-6, rechtes Teilbild).
Die Betonung auf Blockguss ist deshalb notwendig, da die für diese Vergießungstechnologie
charakteristischen Merkmale beim Stranggussverfahren nicht mehr zutreffen. Die Ursache dafür
liegt in der nicht mehr möglichen ausgeprägten Kochreaktion, da sonst die Schmelze in der
vergleichsweise kurzen und wassergekühlten Kokille einer Stranggussanlage nicht vollkommen
erstarren und somit die Gefahr eines Schmelzbaddurchbruchs bestehen würde. Die Folge wäre
eine Havarie mit schwerer Beschädigung bzw. Zerstörung der Anlage.
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Trotzdem können auch auf Stranggussanlagen vergossene Stähle die Kennzeichnung FU, also
„unberuhigt“ tragen. Diese Angabe bezieht sich in diesem Fall nicht auf stattgefundene
Kochreaktionen und damit verbundene Seigerungszonen über den Strangquerschnitt, sondern
auf den im Stahl verbleibenden nichtabgebundenen Restsauerstoffgehalt.
Auf diesen kann durch Bestimmung der Gehalte an Aluminium und Silizium im Rahmen
einer chemischen Analyse oder durch Auswertung vorliegender Werkstoffzeugnisse geschlussfolgert
werden. Diese Elemente werden dem Stahl bei seiner Erschmelzung beigegeben, um den
Sauerstoff abzubinden, so dass die CO-Bildung verhindert wird (vergleiche Abschnitt 2.2.2).
Hinweis: DIN EN 10025-2 enthält keine unberuhigten Stähle mehr.
Bild 1-8. Mittenzeile
in einem beruhigt
stranggegossenen
Grobblech
aus unlegiertem
Stahl.
Doch auch bei den wenig geseigerten unberuhigten Qualitätsstählen moderner Produktion kann es
bei der schweißtechnischen Verarbeitung unter ungünstigen Randbedingungen (nicht angepasste
Zusatzwerkstoffwahl, nicht ausreichender Gasschutz) zu unerwünschten Effekten kommen. Diese
äußern sich in der spontanen Bildung von Poren, deren Ursache „Kochreaktionen“ im Schweißbad
sind, die auf den hohen Sauerstoffgehalt im Grundwerkstoff zurückgeführt werden können.
Unabhängig von der jeweiligen Vergießungsart ist für im Stranggussverfahren vergossene Stähle
häufig eine z. T. deutlich ausgeprägte Mittenzeile charakteristisch (Bild 1-8). Für den Fall einer zu
großen Abzugsgeschwindigkeit des Stranges und damit nicht vollständig abgelaufenen
Kristallisation in der Strangmitte können hier erstarrungsbedingt Gefügeauflockerungen auftreten,
die u. U. auch durch den nachfolgenden Walzprozess nicht vollständig zusammengeschweißt
werden können. Auch Schlackeneinlagerungen und Ausscheidungen sind im Bereich dieser
Mittenzeile hin und wieder anzutreffen.
1.4 Walzprozess
1.4.1 Allgemeines
Nach seinem Vergießen (vergleiche Abschnitt 1.3) liegt der Stahl, abgesehen vom Formguss, im
Wesentlichen in Form von Blöcken oder Brammen vor. Die Aufgabe des Walzprozesses besteht
darin, dieses Vormaterial in das gewünschte Halbzeug umzuformen. Zu den wichtigsten
Halbzeugarten zählen in diesem Zusammenhang:
– Grobbleche,
– Warmband,
– Formstahl,
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– Rohre,
– Drähte,
– Feinbleche.
Der Walzprozess wird in Abhängigkeit von der Temperatur, bei der die Umformung erfolgt, in
das Warm- und das Kaltwalzen unterschieden. Beim Kaltwalzen sind die Umformtemperaturen
zwischen Raum- und unterhalb der Rekristallisationstemperatur angeordnet. Demgegenüber liegen
die Temperaturen beim Warmwalzen in der Regel oberhalb der Rekristallisationstemperatur
(T R ~ 0,4 T S ). In diesem Zusammenhang ist jedoch zu beachten, dass bei schnell ablaufenden
Umformvorgängen, wie es insbesondere auch Walzprozesse sind, der temperaturabhängigen
Rekristallisationsgeschwindigkeit besondere Bedeutung zuzumessen ist. Für den Fall, dass diese
größer als die Verformungsgeschwindigkeit ist, wird von Warmverformung gesprochen. Im
entgegengesetzten Fall von Kaltverformung, auch wenn die Umformung oberhalb der
Rekristallisationstemperatur abläuft.
Bild 1-9. Weiterverarbeitung von Stählen durch spanlose Formgebung.
Einen Überblick über die Weiterverarbeitung von Stählen durch spanlose Formgebung enthält
Bild 1-9. Wie zu erkennen ist, können durch die Kombination von Warm- und Kaltformgebung
die gewünschten Halbzeuge hergestellt werden.
1.4.2 Herstellung von Grobblechen
Grobbleche werden durch Warmwalzen hergestellt. Der Anteil der Menge dieser Erzeugnisform
bezogen auf die Menge aller Walzerzeugnisse liegt zwischen 15 und 26 %. Hauptverbraucher
dieser Erzeugnisse sind:
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– der Schiff- und Stahlbau,
– der Fahrzeug- und Maschinenbau,
– der Kesselbau und Großrohrfertigung und
– der Chemieanlagenbau.
Tabelle 1-2. Stahlwerkstoffe und Einsatzgebiete für Grobbleche.
Werkstoffart und -sortenbeispiele
Wichtige Anwendungsgebiete
Unlegierte Baustähle
Stahlbau, Maschinenbau, Kranbau, Fahrzeugbau
z. B.: S185, S235JR; S275JR, S355J2G3
Legierte Einsatz- und Vergütungsstähle
Stahlbau, Maschinenbau, Kranbau, Fahrzeugbau,
z. B.: C10E, C15E, 16MnCr5, 20MnCr5, C22, C45,
Schiffbau
C60, 28Mn6, 34Cr4, 42CrMo4
Schweißgeeignete Feinkornbaustähle
z. B.: S275N, S275M, S355M, S420N, S420M, Kranbau, Brückenbau, Stahlhochbau
S460N, S460M, S690G1QL, S890QL, S960QL
Kaltzähe Stähle
Kältetechnik, Schiffbau, Rohrleitungsbau
z. B.: 12Ni14, 13MnNi6-3, X12Ni5, X8Ni9
Verschleißfeste Stähle
Einerkettenbagger, Tagebaubrücken
z. B.: 36Mn7, 90Mn4, X120Mn12
Druckbehälterstähle
z. B.: P235GH, P265GH, P295GH, 16Mo3,
Dampferzeuger, Wärmetauscher
13CrMo4-5, 10CrMo9-10
Nichtrostende Stähle
z. B.: X5CrNi18-10, X6CrNiMoTi17-12-2,
X2CrNi18-9, X2CrNiMoN22-5-3
Hitze- und zunderbeständige Stähle
z. B.: X10CrAl7, X10CrSi13, X2CrMnNiN17-7-5,
X15CrNiSi20-12, X20CrNiSi25-4
Chemieanlagen, Flüssiggasbehälter, Milch- und
Biertanks, Haushaltgeräte
Ofengehäuse, Gasturbinen, Schutzgashauben
Bild 1-10. Walzen von Stahl (linkes Teilbild: Schematische Darstellung des Walzens, rechtes Teilbild:
Normalisierendes und thermomechanisches Walzen).
Die Grobbleche umfassen einen Dickenbereich zwischen 4 und 160 mm. In Ausnahmefällen
werden solche Bleche auch bis zu einer Dicke von 300 mm (und mehr) hergestellt. Die
Blechbreiten liegen vorzugsweise im Bereich von 1000 bis 3500 mm, die Blechlängen in
Abhängigkeit von der Brammenmasse und Blechdicken zwischen 8 und 30 m. Darüber hinaus
werden ebenfalls plattierte Grobbleche durch Walzplattierten mit einem unlegierten Baustahl als
Trägerwerkstoff und z. B. einem nichtrostenden Stahl als Deckwerkstoff hergestellt. Solche
Bleche eignen sich insbesondere beim wirtschaftlichen Bau von Chemieanlagen, wo eine Werk-
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stoffseite einer korrosiven Beanspruchung ausgesetzt ist, die andere dagegen keinem Korrosionsangriff
unterliegt.
Wichtige Technologien bei der Herstellung von warmgewalzten Grobblechen sind das normalisierende
und das thermomechanische Walzen. Diese werden mit den folgenden Zielen durchgeführt:
– Verbesserung der mechanischen Eigenschaften im Walzzustand,
– Einsparen der Normalisierungsglühung (vergleiche Abschnitt 13.3.1),
– Verbesserung der Zähigkeitseigenschaften und der Schweißeignung bei erhöhter Festigkeit,
– Einsparen von Legierungselementen.
Eine Gegenüberstellung der Unterschiede zwischen dem normalisierenden und dem thermomechanischen
Walzen enthält Bild 1-10, rechtes Teilbild.
Bild 1-11. Unterschied zwischen einem normalisierten und einem kaltverformten Gefüge (linkes Teilbild:
Normalisiertes Gefüge eines kohlenstoffarmen Stahls, rechtes Teilbild: Kaltverformtes Gefüge eines kohlenstoffarmen
Stahls).
In Abhängigkeit von den gewünschten Verarbeitungs- und Gebrauchseigenschaften sowie von der
zu erzeugenden Stahlsorte kann das thermomechanische Walzen in drei Hauptvarianten untergliedert
werden. Dazu zählen:
1. thermomechanisches Walzen mit Ferrit-Perlit-Umwandlung:
– für unlegierte Baustähle im Streckgrenzenbereich zwischen 350 und 420 N/mm²,
– für mikrolegierte Feinkornbaustähle im Streckgrenzenbereich zwischen 420 und 560 N/mm²
und einer Mindestkerbschlagarbeit von 35 J zwischen –20 und –40 °C;
2. thermomechanisches Walzen mit Umwandlung in der Zwischenstufe:
– für kohlenstoffarme, mikrolegierte Feinkornbaustähle mit höheren Legierungsgehalten im
Streckgrenzenbereich zwischen 480 und 700 N/mm² und einer Mindestkerbschlagarbeit
von 35 J bei –20 °C;
3. thermomechanisches Walzen mit Martensitumwandlung und Anlassen:
– für mikrolegierte und niedriglegierte Feinkornbaustähle im Streckgrenzenbereich von über
500 N/mm² (bis gegenwärtig 1.100 N/mm²), wobei infolge der beschleunigten Abkühlung
hohe Zähigkeitswerte erhalten werden.
1.4.3 Herstellung von Warmband
Neben den Grobblechen ist ebenfalls der Anteil der Flacherzeugnisse an der Walzstahlproduktion
groß und nach wie vor im Wachsen begriffen. Warmband ist derzeit mit etwa 80 % an der
Produktion der Flacherzeugnisse beteiligt. Davon geht ein Anteil von etwa 50 bis 60 % in die
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Kaltwalzwerke und ca. 20 bis 25 % in die Erzeugnislinien für warmgewalzte Bleche. In
zunehmendem Maß wird dünneres Warmband auch als Ersatz für kaltgewalzte Bänder und Bleche
eingesetzt, da es durch gute Planheit, Oberflächenbeschaffenheit und Maßhaltigkeit auch gehobenen
Qualitätsanforderungen genügt.
Ausgehend von der historischen Entwicklung der Warmbandwalzwerke wird unterschieden in:
– Schmalband: < 100 mm Bandbreite,
– Mittelband: 100 bis 600 mm Bandbreite,
– Breitband: > 600 mm Bandbreite.
Ausgewählte Sortimente von Warmbreitband sind in Tabelle 1-3 zusammengestellt. Haupteinsatzgebiete
sind:
– warmgewalzte Bleche für Behälter-, Fahrzeug- und Stahlbau,
– direkt gefertigte Teile, z. B. Felgen,
– Großrohrproduktion.
Tabelle 1-3. Bevorzugte Sortimente von Warmbreitband.
Werkstoffart und -sortenbeispiele
Gebräuchliche Abmessungen
Dicke [mm] Breite [mm]
Weiche unlegierte Stähle für Kaltumformung
z. B.: DC01, DC03G1, DC04, DC05
2 – 8 850 – 2.200
Unlegierte Baustähle
z. B.: S185, S235JR; S275JR, S355J2G3
2 – 10 1.050 – 1.850
Schweißgeeignete Feinkornbaustähle
z. B.: S355M, S420N, S420M, S460N, S460M, 2 – 10 1.050 – 2.000
S690G1QL, S890QL, S960QL
Stähle für geschweißte Großrohre
z. B.: L240NB, L360NB, L550MB
5 – 10 1.050 – 1.650
Vergütungsstähle
z. B.: C45
3 – 4 700 – 1.850
Unlegierte und legierte Federstähle
z. B.: 51Si7, 55Cr3
2 – 8 600 – 1.400
Si-legierte elektrotechnische Stähle 2 600 – 1.050
Hitze- und zunderbeständige Stähle
z. B.: X10CrAl7, X10CrSi13, X2CrMnNiN17-7-5, 3 – 8 600 – 1.400
X15CrNiSi20-12, X20CrNiSi25-4
1.4.4 Herstellung von Kaltband
Mehr als 50 % der warmgewalzten Bänder wird im Anschluss einem Kaltwalzprozess unterzogen.
Die Gründe für das weitere Kaltwalzen sind vor allem:
– Erzielen dünnerer Bänder,
– Herstellen einer blanken Oberfläche mit geringer Rautiefe,
– Einstellen enger Dickentoleranzen und guter Ebenheit über Breite und Länge,
– Einstellen einer gezielten Kaltverfestigung,
– Beeinflussung der physikalischen Eigenschaften (z. B. Elektrobänder).
Der überwiegende Teil der Kaltbänder findet Anwendung:
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– im allgemeinen Maschinenbau,
– in der Fahrzeugindustrie (Karosseriebau),
– in der Haushaltwarenindustrie,
– in der Lebensmittel- und Nahrungsgüterwirtschaft (Weißband, Konservendosen),
– in der Elektrotechnik und der Elektronik sowie
– im Bauwesen.
1.4.5 Herstellung von Formstahl
Formstahl hat insbesondere für den Stahlbau, den Brückenbau, das Verkehrswesen und den
Fahrzeugbau eine signifikante Bedeutung. Dabei gehören zu den wichtigsten Entwicklungstendenzen
der Einsatz von Leichtbauprofilen und hochfesten schweißgeeigneten Feinkornstählen.
Zum Formstahl zählen insbesondere:
– gleich- und ungleichschenklige Winkel,
– T-Stahl,
– Doppel-T-Stahl in normaler Ausführung sowie mit dünneren Stegen und Flanschen bzw.
parallelen Flanschen oder als Breitflanschträger,
– U-Stahl in Normal- bzw. Leichtbauausführung,
– Z-Stahl,
– Schienen und Sonderprofile.
Als Ausgangsmaterial für die Walzung von Formstahl dienen in den meisten Fällen quadratische
oder recheckige Stranggusshalbzeuge sowie Vorblöcke, die zuvor auf einem Blockwalzwerk aus
Gussblöcken gewalzt wurden.
1.4.6 Herstellung von Stäben und Drähten
Stäbe und Drähte werden ebenfalls aus vorgewalzten oder stranggegossenen Vorblöcken sowie
Knüppeln in speziellen Stab- und Drahtwalzwerken hergestellt. Können durch Warmwalzen deren
Abmessungen, Oberflächenqualität und/oder mechanisch-technologische Eigenschaften nicht
mehr eingestellt werden, kommt das Ziehen zur Anwendung.
Beim Durchziehen handelt es sich um ein Umformverfahren mit indirekter Druckwirkung. Das
Umformgut wird durch ein sich in Bewegungsrichtung verjüngendes Werkzeug, eine Ziehdüse
(„Ziehstein“) oder durch ein nicht angetriebenes Formrollenpaar, gezogen.
Das Durchziehen ist ein Verfahren der Kaltumformung, das meist bei Raumtemperatur durchgeführt
wird. Werkstoffe mit relativ geringem Umformvermögen, z. B. schwer umformbare
Stähle, können aber auch mittels Warmziehen verformt werden. Bei Verwendung des Halbwarmziehens
können Verfestigungen, die infolge des Umformprozesses entstanden sind,
vollständig oder teilweise rückgängig gemacht werden, da die Umformtemperatur bei oder nur
knapp unter der Rekristallisationstemperatur liegt.
Die Abmessungspalette der durch Ziehen hergestellten Erzeugnisse umfasst bei Drähten
Durchmesser zwischen 0,005 und 40 mm, bei Stangen zwischen 5 und 50 mm und bei Profilen
unterschiedlichste Querschnittsausbildungen.
Auf dem Drahtsektor wird in Abhängigkeit von der Abmessungsgruppe unterschieden in:
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