Verfahrenswege zur Herstellung von Rohstahl 

• Aus Eisenerzen im wesentlichen über den Verfahrensweg Hochofen-Sauerstoffaufblaskonverter,
• Einschmelzen von Stahlschrott im Elektrolichtbogenofen.

Eisenerze sind Primärrohstoffe und werden vorwiegend aus Brasilien, Kanada, Australien und Schweden eingeführt. Der Einsatz von Stahlschrott zur Herstellung von Stahl ist eines der ältesten Verfahren des Recyclings.

2. Verfahrenswege

2.1 Verfahrensweg Eisenerze - Hochofen – Konverter
Bei dieser Verfahrensroute wird im Hochofen zunächst aus Eisenerzen, Zuschlägen sowie Koks und anderen Reduktionsmitteln wie Kohle, Öl, Gas oder aufbereitete Altkunststoffe Roheisen gewonnen, das im nachgeschalteten Konverterstahlwerk zu Rohstahl umgewandelt wird.

Ein Hochofen ist ein schachtförmiges Aggregat, das nach dem Gegenstromprinzip arbeitet. Die grobkörnigen Einsatzstoffe (Koks und Möller, also Eisenerz + Zuschläge) werden von oben über die Gicht chargiert, während das Reduktionsgas von unten der absinkenden Schüttung entgegenströmt.

2.1.1 Vorbereitung der Hochofeneinsatzstoffe
Um die Durchgasung der Schüttsäule zu gewährleisten, 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. Bei den Eisenerzgruben fallen allerdings durch Aufbereitungs- und Anreichungsprozesse zur Anhebung des Fe-Gehaltes zunehmend sehr feinkörnige Erze an, die agglomeriert werden müssen. Dies erfolgt durch Pelletieren und Sintern.
Beim Pelletieren werden Feinsterze (Pelletfeed) 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 werden dann die „Grünpellets“ geformt. Diese Grünpellets werden getrocknet und bei Temperaturen von mehr als 1000 °C gebrannt. Dies kann im Schachtofen, Drehrohrofen oder auf einem Wanderrost geschehen. Pelletieranlagen stehen in der Regel bei den Eisenerzproduzenten.
Die Sinterung (Sintern = Zusammenbacken) wird auf Bandsinteranlagen durchgeführt, 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 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. Sinteranlagen stehen in der Nähe der Hochöfen auf dem Gelände der Stahlproduzenten. Pelletier- und Sinteranlagen können rund 6 Millionen Tonnen Pellets bzw. Sinter pro Jahr erzeugen.
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.

2.1.2 Roheisenerzeugung
Zur Reduktionsgaserzeugung wird im unteren Teil des Hochofens über Blasformen 1200 °C heiße Luft eingeblasen. Der in diesem Bereich vorliegende Kokskohlenstoff vergast mit dem Sauerstoffgehalt der Luft zu Reduktionsgas (Kohlenmonoxid) und erzeugt dort Temperaturen von bis zu 2200 °C. Das entstehende Gas steigt nach oben, bindet den Sauerstoff und erreicht somit die Reduktion der Erze. Die aufsteigenden Gase erwärmen die Beschickung. Im Eisen lösen sich geringe Mengen Kohlenstoff, wodurch die Schmelztemperatur des Roheisens gesenkt wird. Die Begleitelemente der Einsatzstoffe bilden eine flüssige Schlacke und können so abgetrennt werden. Roheisen und Schlacke sammeln sich im unteren Bereich des Hochofens (Gestell) und verlassen den Hochofen über ein zu öffnendes Stichloch im unteren Bereich mit einer Temperatur von rund 1500 °C. Über ein feuerfest ausgekleidetes Rinnensystem werden Roheisen und Schlacke getrennt und den Roheisentorpedopfannen und Schlackenpfannen zugeführt. Aus Gründen der Optimierung des Prozesses und der Senkung der Herstellungskosten werden als Koksersatz andere Kohlenstoffsträger, wie Kohle, Öl, Gas oder aufbereitete Altkunststoffe, über die Windformen eingeblasen. Der Betrieb eines Hochofens ohne Koks ist allerdings nicht möglich. Der Koks behält in Regionen des Hochofens, wo die Erze erweichen und schmelzen, seine feste Struktur bei, garantiert somit die Durchgasung und dient als Stützgerüst für die obere feste Beschickungssäule.
Es sind daher auch Verfahren entwickelt worden, die Erze unter Umgehung von Koks reduzieren. Diese werden unter den Begriffen Direktreduktion und Schmelzreduktion zusammengefasst.
Bei der Direktreduktion wird kein flüssiges Roheisen erzeugt, da sie bei niedrigeren Temperaturen arbeitet als der Hochofen. Den Erzen wird lediglich der Sauerstoff entzogen, und die Gangartbestandteile der Erze verbleiben im Produkt Eisenschwamm (DRI= Direct Reduced Iron). Die Reduktionsgaserzeugung erfolgt bei den meisten Direktreduktionsverfahren durch Umwandlung von Erdgas in Wasserstoff und Kohlenmonoxid. DRI wird im wesentlichen im Lichtbogenofen eingesetzt.
Bei der Schmelzreduktion wird 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 Schmelzreduktionsprozessen wird bisher lediglich das Corex-Verfahren betrieblich angewendet.
Beide Verfahrensweisen sind von der Wirtschaftlichkeit her auf bestimmte Regionen und Anlagenkonfigurationen begrenzt und können die Produktionsleistungen eines großen Hochofens bei weitem nicht erreichen.
Große Hochöfen (Gestelldurchmesser rund 15 m; Gesamtvolumen rd. 6000 m³) produzieren rd. 12000 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, 4000 t Koks, 1750 t Einblaskohle, 11 Mio. m³ Luft, die in Winderhitzern auf über 1200 °C erhitzt werden. Weiterhin fallen täglich 3300 t Schlacke an, die überwiegend als Baustoff in der Zementindustrie oder im Straßenbau verwertet wird, sowie 17 Mio. m³ Hochofengas, welches nach Reinigung energetisch genutzt wird.
Die Lebensdauer eines Hochofens, d.h. die Zeitspanne, bis seine feuerfeste Ausmauerung vollständig erneuert werden muss, beträgt heute 15 bis 20 Jahre.

2.1.3 Rohstahlerzeugung
Das Roheisen enthält noch störende Begleitelemente wie Kohlenstoff, Silicium, Schwefel und Phosphor. Diese Bestandteile werden im Konverter–Stahlwerk entfernt.

Darstellung eines Sauerstoffaufblaskonverters

Aus Roheisen wird Rohstahl. Im Konverter werden die Verunreinigungen durch Aufblasen von Sauerstoff über eine wassergekühlte Lanze oxidiert. Dabei werden bestimmte Mengen Schrott von bis zu 25 % der Gesamtcharge als Kühlmittel zugesetzt da der Oxidationsprozess eine starke Wärmeentwicklung verursacht.

Schrottchargierung im Konverterbetrieb

Ein Konverter fasst bis zu 400 t Rohstahl. Neben Roheisen und Schrott werden Kalk zur Schlackenbildung und Legierungsmittel eingesetzt. Der Blasprozess dauert ca. 20 Minuten. Neben dem reinen Aufblasen von Sauerstoff wird heute auch das kombinierte Blasen durch den Boden mit Inertgasen zum Spülen oder mit Sauerstoff angewendet.

2.2 Verfahrensweg Stahlschrott – Elektrolichtbogenofen
Aus Gründen einer optimalen Rohstoffnutzung sowie des Umweltschutzes kommt einer Wiederverarbeitung von Schrott steigende Bedeutung zu. Hier bietet Stahl alle Voraussetzungen, was ihn zu einem besonders umweltfreundlichen Werkstoff macht. Als Einschmelzaggregat kommt heute der Elektrolichtbogenofen zur Anwendung. Durch den Lichtbogen lässt sich die elektrische Energie mit sehr gutem Wirkungsgrad und hoher Energiedichte in Schmelzwärme umwandeln.
Der elektrische Strom kann nicht ohne weiteres dem öffentlichen Netz entnommen werden. Aus einem Strom hoher Spannung muss über einen Transformator ein Strom niedrigerer Spannung (600 bis 1000 V) und hoher Stromstärke (55 bis 78 kA) erzeugt werden. Die wichtigste Kenngröße für die Leistungsfähigkeit eines Lichtbogenofens ist die spezifische Transformatorenscheinleistung, die auf eine Tonne des Einsatzes bezogen wird. Dabei werden Werte von bis zu 1000 kVA/t erreicht. Graphitelektroden leiten den elektrischen Strom und bilden den Lichtbogen zum metallischen Einsatz.

Neben günstigeren Bedingungen beim Einschmelzen von Schrott ergeben sich bei diesem Aggregat ein etwas geringerer Verbrauch an elektrischer Energie, Elektroden- und Feuerfestmaterial.

2.3 Sekundärmetallurgie
Die hohen Qualitätsanforderungen an die Eigenschaften der über beide Routen, Hochofen – Konverter und Elektrolichtbogenofen, erschmolzenen Stähle machen eine Nachbehandlung erforderlich. Dies erfolgt in der Sekundärmetallurgie, der Pfannen- bzw. Vakuumbehandlung von flüssigem Rohstahl.

Der Einsatz dieses Arbeitsschrittes verfolgt neben der Homogenisierung der Schmelze sowie der Einhaltung enger Temperaturgrenzen bzw. exakter Temperaturen in erster Linie das Ziel, niedrigste Gehalte der Elemente Kohlenstoff, Stickstoff, Wasserstoff, Phosphor sowie einiger Spurenelemente im Stahl einzustellen.

3 Vergießen des Stahls
Der in großen Mengen anfallende flüssige Rohstahl muss weiterverarbeitet werden. Zu diesem Zweck wird er durch das Vergießen in bestimmte Formen, Abmessungen und Gewichte gebracht. Der umfangreiche Gießbetrieb liegt im Materialfluss eines integrierten Hüttenwerkes hinter dem Stahlwerk und vor den Weiterverarbeitungsbetrieben, den Walzwerken. Stahl wird nach dem Blockguss- oder Stranggussverfahren vergossen. Der Blockguss, das portionsweise Abgießen des Stahls in Dauerformen (Kokillen), verliert zunehmend an Bedeutung und wird nur noch im Bereich von Stücken großer Masse für die Weiterverarbeitung durch Schmieden angewendet.
Heute wird der zur Warmumformung durch Walzen bestimmte flüssige Stahl in der Regel kontinuierlich im Stranggießverfahren vergossen, in Deutschland mit einem Anteil von rund 97%, weltweit mit rund 90%.
Beim Stranggießverfahren gelangt der flüssige Stahl aus der Gießpfanne über einen Verteilerbehälter unter Luftabschluss in eine kurze wassergekühlte Kupferkokille. Die Form der Kokille bestimmt die Form des Stranges. Vor Gießbeginn wird der Boden der Kokille mit dem sogenannten Kaltstrang, einer Gliederkette, verschlossen. Sobald die vorgeschriebene Badspiegelhöhe erreicht ist, wird die Kokille in senkrechte Schwingungen versetzt, damit der Strang nicht an der Kokillenwandung haftet. Der in seiner Randzone erstarrte rotglühende Strang wird zunächst mit Hilfe des Kaltstranges und später durch die Treibrollen aus der Kokille gezogen, während die Kokille von oben ständig mit Flüssigstahl nachgefüllt wird.
Wegen seines flüssigen Kerns muss der Strang so lange sorgfältig mit Wasser bespritzt und gekühlt sowie allseits von Rollen abgestützt werden, bis er vollständig erstarrt ist. Dadurch wird ein Aufbrechen der noch dünnen Randzone vermieden.
Nach vollständiger Erstarrung kann der Strang durch mitfahrende Schneidbrenner oder Scheren auf bestimmte Längen zerteilt werden. Die intensive Kühlung bewirkt ein gleichmäßiges Erstarrungsgefüge mit günstigen technologischen Eigenschaften. Heute werden hohe Gießgeschwindigkeiten erreicht. In Abhängigkeit vom Format und der Anzahl der gleichzeitig zu vergießenden Stränge ergeben sich Geschwindigkeiten von 0,6 bis 6 m/min., letzteres  bei Gießformaten von 1500 bis 2000 mm Breite und etwa 250 mm Dicke.
Um mehrere Schmelzen hintereinander ohne Unterbrechung gießen zu können, muss die nachfolgende Pfanne mit dem flüssigen Stahl schnell in Gießposition gebracht werden. Dieses Sequenz- bzw. Verbundgießen erfolgt mit Hilfe von Drehtürmen, die zwei Pfannen aufnehmen können.
Die Stranggießtechnik ersetzt neben dem herkömmlichen Blockguss auch die Block-Brammen- und Halbzeugstraßen der nachgeschalteten Walzwerke. Das Ausbringen von Walzprodukten je Tonne Flüssigstahl kann beim Stranggießen ausgehend von 85 % beim Blockguss um 10 bis 12 % gesteigert werden, was beträchtliche Energie- und Rohstoffeinsparungen mit sich bringt. Der Reinheitsgrad beim Stranggießen ist infolge des Gießens unter Luftabschluss besser als beim Blockguss. Die schnelle Erstarrung liefert ein seigerungsärmeres, homogenes Gefüge.

Die Stranggussformate liegen für Langprodukte wie Träger, Schienen oder Draht in Bereichen von 100 x 100 mm bis 450 x 650 mm. Brammenanlagen für Flachprodukte erzeugen Formate von 300 x 2000 mm Sogenannte Jumboanlagen können Formate bis zu 2700 mm Breite erreichen.
Eine zur Zeit revolutionäre Entwicklung stellt das endabmessungsnahe Gießen oder Gießwalzen dar, da dadurch bei der Erzeugung der Stahlflachprodukte erhebliche Walzarbeit eingespart wird (siehe auch: Forschung & Technik / Produktionstechnik / Umformung & Oberflächenveredelung). Beim Dünnbrammengießen sollen Gießdicken von 50 bis 90 mm, beim Vorbandgießen 10 bis 15 mm und beim Bandgießen 1 bis 5 mm erreicht werden. Das Gießwalzen mit der Dünnbrammentechnologie ist inzwischen eine weltweit etablierte Technik.

4 Ausblick
Die Produktionsrouten der Roheisen- und Stahlerzeugung sowie die Produktentwicklungen und -anwendungsgebiete der Stahlsorten haben einen sehr hohen Entwicklungsstand erreicht, dennoch bieten sich vielfältige Potentiale. Die Stahlindustrie steht weiterhin vor Herausforderungen bzgl. Innovationen in der Anlagen- und Verfahrenstechnik, der Produktentwicklung und der Anwendung der erzeugten Produkte insbesondere in der Verwendung des Stahls als ressourcenschonender Leichtwerkstoff