Eisen und Stahl

Eisen ist in reiner Form nicht verwendbar, erst durch Legieren können die Eigenschaften an viele technische Anforderungen angepasst werden. Bedeutend sind vor allem Legierungen von Eisen mit Kohlenstoff, d.h. Stahl. Einfacher Carbonstahl enthält z.B. etwa 0,5 % Mangan und 0,8 % Kohlenstoff. Aber auch Stahl kann zusätzlich mit Metallen wie z.B. Chrom, Mangan, Molybdän, Nickel, Wolfram und Vanadium legiert werden (Manganstahl: 0,8 – 14 % Mangan, säurebeständiger Stahl: 10 – 13 % Silicium, V2A-Stahl: 20% Chrom). Diese Mischungen sind noch fester, härter und meist auch korrosionsbeständiger als reines Eisen oder gewöhnlicher Stahl.

Herstellungsverfahren

Roheisen wird aus Eisenerz, Koks und weiteren Zuschlägen (z.B. Kalkstein, Feldspat) im Hochofenprozess gewonnen. Außerdem entsteht Hochofenschlacke, die z.B. als Hüttensand (für Bindemittel, Hüttenzement) oder Hüttenbims (als Zuschlag für Leicht- und Porenbeton, Schaumschlacke für Dämmstoffe) weiter verwendet wird.

Durch verschiedene Behandlungsverfahren (Wärmebehandlung, Kaltverfestigung, Formen durch Walzen, Ziehen, Schmieden, Pressen, u.a.) werden ebenfalls die Eigenschaften beeinflusst, wodurch die unterschiedlichsten Anwendungen und Nutzungen möglich werden.





Die Gewinnung von Stahl aus Roheisen erfolgt in erster Linie durch die Beseitigung der im Roheisen enthaltenen und unerwünschten Begleitstoffe (vor allem Kohlenstoff, Mangan, Silicium, Phosphor und Schwefel). Roheisen ist aufgrund seines hohen Kohlenstoffgehalts spröde und erweicht beim Erhitzen nicht allmählich, sondern plötzlich. Deshalb steht die Entkohlung des Roheisens bis zum Kohlenstoffgehalt des Stahles (das sogenannte Frischen) im Vordergrund.

Für das Frischen wurden verschiedene Verfahren entwickelt. Die heute gängigen Methoden sind das Sauerstoff-Blasverfahren (Herauslösen der unerwünschten Bestandteile durch Einblasen von gasförmigem Sauerstoff in die Eisenschmelze, ohne zusätzliche Energiezufuhr) und das Elektrostahlverfahren (Schmelzen von Eisenschrott mit geringen Mengen Roheisen in elektrischen Lichtbogen- oder Induktionsöfen, zusätzliche Energiezufuhr notwendig).

Durch die weitere Bearbeitung des Stahles wird die Qualität verbessert, indem seine kristalline Struktur verfeinert und die Festigkeit des Metalls erhöht wird. Es gibt verschiedene Verfahren der Stahlverarbeitung, z.B. Gießen, Walzen (heiß oder kalt), Ziehen, Pressen, Drücken, Schmieden.

Das grundlegende Verfahren zur Härtung von Stahl besteht aus der Erwärmung des Metalls auf etwa 760 bis 870 °C, und anschließender rascher Abkühlung (Abschrecken). Solche Härtungsvorgänge erzeugen große innere Spannungen im Metall, die sich durch Anlassen, Tempern oder Glühen beseitigen lassen.

Eigenschaften

   
Rohdichte  reines Eisen 7.860 kg/m3
Baustahl 7.900 kg/m3  
Wärmeleitfähigkeit (l)  Baustahl 60 W/m • K
Edelstahl 6 W/m • K  
Verhalten gegenüber Feuchtigkeit  Einwirkung von Feuchtigkeit führt zu Korrosion, Metalle sind dampfdicht 
Mechanische Eigenschaften  Hohes Elastizitätsmodul,
hohe Belastbarkeit,
gute Form- und Bearbeitbarkeit  
Thermisches Verhalten  Hitzeeinwirkung (bei Brand) führt zur Verformung, daher Ummantelung erforderlich 
Elektrische Leitfähigkeit  Elektrisch leitend 

Verwendung im Bauwesen

Stahl wird in drei Hauptgüteklassen unterteilt:

GrundstahlQualitätsstahlEdelstahl
Stahlprodukte sind in vielfältigen Formen für sehr unterschiedliche Einsatzgebiete erhältlich, z.B. Formstahl, Stabstahl, Stahlmatten, Bleche, Rohre, Bewehrungsdraht. Im Rohbau wird dieses Baumaterial u.a. für Stahlskelette, Unterzüge, Stahlbeton eingesetzt. Für den Stahlbau wird Warmgewalzter Baustahl aus unlegierten Stählen verwendet.

Im Ausbaubereich reicht die Bandbreite der Anwendungsbereiche von Türen, Fenstern, Fassadenelementen, Dacheindeckungen, Zargen, über Treppen, Geländer, Gitter, Schienen, Rohrleitungen, Putzträger, Baubeschläge bis hin zu Sanitär- und Heizungsinstallationen.

Umweltverträglichkeit

Rohstoffe  Begrenzt verfügbar
lange Transportwege 
Herstellung  hoher Energieverbrauch 
Primärenergiebedarf  131.000 kWh/m³ 
Verarbeitung  Unbedenklich 
Nutzung  Da guter elektrischer Leiter, ggf. negative Beeinflussung des elektromagnetischen Feldes im Raum (Elektroklima) möglich. 
Entsorgung  Recyclingfähig (Schrott)