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Kurzer geschichtlicher Überblick der Metallverarbeitung
Nach dem heutigen Wissensstand der Archäologie beginnt die Geschichte der Metallnutzung durch den Menschen vor rund 10000 Jahren. Einzelne gefundene Objekte aus Kupfer lassen vermuten, dass damals bereits im Nahen Osten erstes Kupfer aufgefunden und genutzt wurde. Größere Bedeutung erlangte die Kupferverarbeitung dann vor etwa 6400Jahren, als wohl die Technik der Verhüttung entdeckt wurde. Mit den Begriffen Kupferzeit oder Kupfersteinzeit bezeichnet man eine Zeitspanne von 4.400 bis 2.200 vor Christus, während der im Nahen Osten und dann auch in Südosteuropa und Ägypten Kupfererze verhüttet wurden. In Mitteleuropa hatte Kupfer zu dieser frühen Zeit wohl keine große Bedeutung, nur sehr wenige importierte Funde weißen hier auf dieses Metall hin. Das änderte sich mit Beginn der mitteleuropäischen Bronzezeit (2200 bis 800 v. Chr.), als die Kupfergewinnung deutlich anstieg, was wohl vor allem auf verbesserte Verhüttungstechniken zurückzuführen ist. Anfangs bestanden die meisten Gegenstände meist noch immer aus reinem Kupfer, bis schließlich die Bronze sich vollkommen durchsetzte. Bronze ist eine Legierung aus Kupfer und Zinn, wird heute aber im seltensten Fall als reine Zweistofflegierung genutzt, sondern mit weiteren Legierungskomponenten und Zusätzen versehen. Auch historisch gesehen ist Bronze ein Sammelbegriff für eine Vielzahl von Kupferlegierungen. Während reines Kupfer relativ weich ist, weist Bronze durch die Legierungskomponente Zinn eine viel höhere Festigkeit und Härte auf.
Die Eisenzeit schließlich beginnt im Nahen Osten um 1200 v. Chr., in Mitteleuropa um etwa 800 v. Chr. als wohl zuerst bei der Hallstattkultur damit begonnen wurde, Eisen zu verhütten. Da Eisenerze leichter auffindbar sind als Kupfer oder Zinn, ganz einfach aus dem Grund, weil es viel mehr davon in der Erdkruste gibt und Eisen noch dazu das Kupfer oder Bronze in den meisten Eigenschaften übertrifft (in der Härte, in der Flexibilität sowie in der Verwendungsvielfalt), verbreitete die Eisenmetallurgie sich bald in ganz Europa. Eisen veränderte die Welt und das Leben der Menschen gründlich, ob nur zum guten sei dahingestellt, jedenfalls ermöglichte es wohl erst das Erblühen der großen alten europäischen Kulturen der Griechen, Kelten, Germanen und Römer. Letztendlich führte seine Verwendung schließlich zur Industriellen Revolution. Im Grunde hält die Eisenzeit bis heute an, eine gewisse Unersättlichkeit nach dem Material, die seit jeher bestand, hat sich in der Moderne wohl noch verstärkt, denn bei einer unglaublichen jährlichen weltweiten Roheisenproduktion von weit über einer Milliarde Tonnen ist es recht offensichtlich wie verschwenderisch heute mit dem Material umgegangen wird. Wenn man sich überlegt, dass bei der Roheisenerzeugung und der nachfolgenden Weiterbehandlung im Stahlwerk Temperaturen von 2000 – 3000 Grad herrschen, ist klar welch enorme Mengen Energie hierfür benötigt werden. So ist Eisen noch immer ein zentrales Element der menschlichen Begierde und des wirtschaftlichen Treibens weltweit.
Historische Eisen-/Stahlherstellung
Die ursprüngliche Methode zur Eisenherstellung, die von den Anfängen bis ins späte Mittelalter die Eisenerzeugung ermöglichte, ist das Rennverfahren. Im Rennofen wurden Schichten aus Holzkohle und Eisenerz übereinander gestapelt und Luft eingeblasen, bei Temperaturen bis etwa 1200 Grad entstand so eine sogenannte Luppe, ein poröser, mit Schlacke und Kohlenresten durchsetzter Eisenklumpen, der im Anschluss durch wiederholtes Schmieden gereinigt werden musste. Das führte damals bereits zu einer recht hohen Qualität des Materials.
Etwa ab der Mitte des 14. Jahrhunderts wurden die Rennöfen immer höher gebaut und mit stärkeren Gebläsen ausgestattet, so entstanden die Hochöfen. Durch die größere Hitze von rund 1600 Grad, die in solchen Öfen entsteht, erhielt man damit anstelle der Luppe flüssiges Eisen. Das gewonnene Roheisen aus dem Hochofen enthält jedoch sehr viel Kohlenstoff und ist damit auch extrem spröde, was eine Entkohlung des produzierten Roheisens nötig macht. Deshalb wurde es nochmals erhitzt und der heiße, teigige Eisenklumpen durch verschiedene Methoden gefrischt. Dieser Vorgang oxidiert die Nebenprodukte im Eisenerz. Nach dem Schmieden bleibt sogenanntes Schmiedeeisen oder auch Stahl mit geringen Anteilen an Verunreinigungen übrig. Obwohl sie auf dem selben Prinzip basieren, sind die Hochöfen aus der Anfangszeit allerdings nur sehr begrenzt mit den heutigen vergleichbar.
Als in der Frühen Neuzeit die europäischen Länder begannen ihre Großmachtfantasien auszuleben, mit Kolonialgehabe, immer größerem Bedarf an Kanonen, Waffen und Gütern aller Art sowie beginnender Industrialisierung, wurden ganze Landstriche entwaldet, um den Bedarf an Holzkohle für die Eisengewinnung zu decken. Es folgten Versuche zur Verwendung von Steinkohle, im frühen 18. Jahrhundert schließlich kam der Engländer Abraham Darby darauf, diese zu rösten, er führte somit die Verwendung von Koks im Hochofen ein. Diese geröstete Kohle behielt ihre Hitze viel länger bei und ersetzte somit die bis dahin verwendete Holzkohle in der Eisenherstellung. In vielen Gegenden dauerte es allerdings bis ins 19. Jahrhundert, dass der Koks die Holzkohle endgültig ablöste.
Ende des gleichen Jahrhunderts erfand Henry Cort eine neue, effektivere Methode zur Frischung des Roheisens, das sogenannte Puddel Verfahren. Dabei wird das Roheisen in einem halboffenen Ofen von der heißen Verbrennungsluft überströmt, während Arbeiter die Masse mit langen Stangen umrühren. Dadurch kommt möglichst viel des heißen Eisens mit der Luft in Berührung und der Kohlenstoff verpufft. Aus dem Roheisen entsteht sogenanntes Puddeleisen, auch Schmiedeeisen, Frischeeisen oder Stabeisen genannt. In der folgenden Zeit hat sich aufgrund der „Industriellen Revolution“ die Technologie der Eisen-/ Stahlerzeugung ständig gewandelt. Ab den 1860er Jahren waren beispielsweise das Bessemer-Verfahren und das Siemens-Martin-Verfahren die bevorzugten Stahlherstellungsverfahren, bis diese ihrerseits im 20. Jahrhundert durch neue Methoden abgelöst wurden.
Eisen-/Stahlherstellung heute
Das Element Eisen kommt in der Natur nicht in gediegenem Zustand vor. Man muss es aus Eisenerzen gewinnen. Diese Erze sind sauerstoffhaltige Verbindungen des Eisens (Eisenoxide, Eisenhydroxide), die mit anderen Stoffen vermischt sind.
Eisenerz wird im Tagebau und Tiefbau (Untertagebau) gewonnen. Dort, wo die als abbauwürdig erkannten Eisenerzlagerstätten offen zutage treten, kann das Erz im weniger aufwändigen Tagebau gewonnen werden. Heute wird Eisenerz hauptsächlich in Südamerika, besonders Brasilien, in Australien, in China, Indien, Kanada, Russland oder der Ukraine auf diese Weise abgebaut. Diese Länder verdrängten die ursprünglich bedeutenden Eisenerz-Förderländer Europas wie Frankreich, Schweden oder Deutschland. Die letzte deutsche Eisenerzgrube in der Oberpfalz wurde so 1987 geschlossen.
Vor der weiteren Verarbeitung erfolgt eine intensive Aufbereitung, das Erz wird zerkleinert und gemahlen. Eine Anreicherung der Eisenkomponenten wird durch die Abtrennung unerwünschter Bestandteile erreicht. Danach werden die Erzkörner nach ihrer Größe sortiert und gesintert. Das heißt, es werden kleine Körner zusammengeklebt, denn nur so ist die Verwendung in modernen Hochöfen möglich.
In die heutigen, rießigen Hochöfen werden möglichst reine, vorbehandelte Erze eingebracht, durch Zugabe von recht großen Mengen Kalk werden im 2000 Grad heißen Ofen die Nebenbestandteile des Erzes in Schlacke umgebildet, die sich leicht vom Eisen trennen lässt. Das so gewonnene Roheisen enthält jedoch weiterhin unerwünschte Stoffe, vor allem Kohlenstoff, Schwefel, Phosphor und Silizium. Es ist spröde und kann weder gewalzt noch geschmiedet werden. Roheisen wird entweder zu Gusseisen verarbeitet oder es geht zur Veredelung in die Stahlwerke.
Die Stahlerzeugung ist eine Technologie, die einem ständigen Wandel unterzogen ist, so haben sich in den letzten 200 Jahren verschiedenste Verfahren in recht schneller Abfolge entwickelt und sind wieder verschwunden. Heute wird Stahl überwiegend in zwei Verfahren hergestellt. Im Blasstahlverfahren (wird auch als Linz-Donawitz-Verfahren bezeichnet) wird in riesigen Behältern, die bis zu 400 Tonnen Material fassen können, die sogenannten Konverter, Luft oder reiner Sauerstoff durch eine Blaslanze auf die Schmelze aufgeblasen. Der Sauerstoff im Roheisen führt zur schnellen Oxidation der Begleitelemente. Neben dem Roheisen und Stahlschrott kommen je nach gewünschtem Endprodukt verschiedene Zuschlagstoffe und Legierungsbestandteile hinzu.
Beim Elektrostahlverfahren entsteht die Prozesswärme durch elektrischen Strom, hier wird mithilfe einer Graphitelektrode ein Lichtbogen erzeugt um noch höhere Temperaturen ( 3000 Grad ) zu erreichen, bei solch hohen Temperaturen verbrennen Kohlenstoff und weitere unerwünschte Bestandteile fast vollständig.
Die Eingangsstoffe für die Stahlerzeugung können sowohl Schrott, Eisenschwamm als auch Roheisen oder eine Mischung aus diesen Bestandteilen sein. Häufig wird heute der Stahl anschließend noch einer Nachbehandlung zur weiteren Qualitätsverbesserung unterzogen.
Das ursprüngliche Eisen - der ursprüngliche Stahl. Verhüttung im Rennofen
Das ursprüngliche Verfahren zur Eisenherstellung ist das Rennverfahren, welches bis ins späte Mittelalter in Europa die alleinige Methode darstellte, Eisen zu gewinnen. Im Rennofen werden Temperaturen von rund 1200 Grad erreicht, es wird somit nicht wie im Hochofen (Unterschied – höhere Temperatur) geschmolzen, es wird also nicht flüssig, sondern nur sehr weich und sammelt sich als sogenannte Luppe im unteren Ofenbereich. Diese Luppe ist ein poröser, mit Schlacke und Kohlenresten durchsetzter schwammartiger Eisenklumpen, der im Anschluss durch wiederholtes Schmieden gereinigt werden muss. Weil das entstandene Eisen in diesem Prozess in der Regel bedeutend weniger Kohlenstoff aufnimmt als im Hochofen, ist es nach einer erfolgreichen Verhüttung sofort schmiedbar und musste meist nicht wie im Hochofen gefrischt werden. Allerdings war das Ergebnis bei weitem nicht immer vorhersehbar, denn vielfältige Einflussgrößen konnten nicht so gesteuert werden wie heute im Industriezeitalter, deshalb entstand im Rennofen Eisen/Stahl in allen erdenklichen Qualitäten. Die Luppe konnte somit auch aus überkohltem, spröden und somit nicht schmiedbaren Material bestehen, das als krankes Eisen bezeichnet wurde. Auch damals schon kannten erfahrene Schmiede durchaus Wege dieses Eisen nutzbar zu machen, so wurde unbrauchbares Roheisen etwa in der Schweißhitze an einem seitlichen Luftstrom bewegt und gewendet, so dass überschüssiger Kohlenstoff verbrennen kann. Beim nachfolgenden Ausschmieden des Materials war dann zu erkennen, inwieweit sich die Eigenschaften verbessert hatten, falls nötig konnte dieser Frischevorgang wiederholt werden. Diese Prozedur ist allerdings sehr ineffektiv, damit kaum sinnvoll und dürfte wohl nur in Ausnahmefällen zu tatsächlicher Anwendung gekommen sein. Doch führten Erfahrungen dieser Art letzlich wohl zur Weiterentwicklung der Stahlherstellung mit Hochofen und entsprechenden Frischeverfahren.
Bau eines Rennofens:
Es gibt mehrere Möglichkeiten und Abmessungen für einen solchen Ofen, ein Rennofen wurde in den verschiedensten Ausführungen und Größen gebaut. Der vorgestellte Ofen wurde von mir ausgiebig genutzt und getestet, er ist ohne großen Aufwand zu bauen und bringt gute Resultate.
Ein Rennofen wird im einfachsten und ursprünglichsten Fall ausschließlich aus Stroh – Lehm gebaut. Das bedeutet man mischt Lehm mit Wasser, so dass eine knetfähige Masse entsteht und mischt dann Stroh oder auch langes Gras darunter, was die Stabilität des Materials erhöht. Ein runder Ofen mit einem Innendurchmesser von etwa 30 cm und einer Höhe von 100 cm ist gut geeignet um etwa 12 – 15 kg Eisenerz zu verhütten.
Am besten gräbt man zunächst eine 30 cm tiefe Grube und baut darauf aus Lehm den Ofen ca. 70 cm in die Höhe (ergibt eine Gesamthöhe von 100 cm). Zum einen erspart man sich durch diese Grube einiges an Bauarbeit nach oben, zum andern auch den Schlackenabstich. Der Durchmesser sollte sich im Idealfall nach oben hin leicht verjüngen, geht aber auch ohne Verjüngung, die Wandstärke kann unten etwa 10 cm betragen und nach oben hin bis auf 5 cm schrumpfen. Hat man die Lehmwand etwa zur Hälfte in die Höhe gezogen, wird selbige zu instabil um weiter aufbauen zu können, ein Feuer im Ofen angefacht, welches die Wände vor dem Weiterbau ein wenig trocknet, schafft hier Abhilfe.
Knapp über Bodenniveau macht man ein Loch für die Luftdüse, mit deren Hilfe die für die Verbrennung notwendige Luft eingeblasen wird. Für die Luftzufuhr wird ein Metallrohr mit etwa 35-40 mm Innendurchmesser und einer Länge von 1-1,5 m benötigt. Direkt in das Loch des Ofens steckt man am besten ein etwa 20 cm langes Tonrohr, das man rund 5 cm in den Ofen stehen lässt und mit Lehm im Ofen einputzt, in dieses Tonrohr kommt dann von außen das Metallrohr. Der Vorteil davon ist, dass ein Tonrohr sich wesentlich weniger zusetzt als ein metallenes Rohr, das direkt in den Ofen ragt. Hat man keine Möglichkeit an so ein Tonrohr zu kommen oder sich selber anzufertigen, geht es auch mit Metallrohr direkt in den Ofen, was aber keine Optimallösung darstellt. Mit hoher Wahrscheinlichkeit setzt sich dieses zu und muss während des Prozesses gereinigt oder ausgetauscht werden. Als Luftquelle bieten sich verschiedene Möglichkeiten an, historisch korrekt ein Blasebalg, einfacher funktioniert ein Gebläse, aber auch ein normaler Haushaltsföhn, den man auf der höchsten Gebläsestufe betreibt, bringt normalerweise eine ausreichende Luftmenge für so einen Ofen.
Da das ganze Konstrukt viel Wasser enthält, sollte der Ofen nach dem Bau bestenfalls mindestens eine Woche trocknen. Anschließend kann dann trocken geheizt werden, hierfür macht man ein Holzfeuer im Ofen und heizt so lange, bis die Ofenwände außen kaum mehr anzufassen sind und der Großteil des enthaltenen Wassers verdampft ist.
Die Verhüttung:
Das Erz wurde vor der Verhüttung im Rennofen meist über einem Feuer geröstet, damit chemisch gebundenes Wasser sowie störende chemische Elemente, wie etwa Schwefel entwichen und somit die Ausbeute im Ofen erhöht werden konnte. Je nach Erz ist dieser Prozess allerdings nicht unbedingt nötig und die Verhüttung funktioniert auch ohne vorheriges rösten gut.
Die Grube im Ofen, also der Teil des Ofens, welcher sich unter Bodenniveau befindet, füllt man mit dünnen Ästen, Reisig etc. recht straff aus, so dass eine siebartige Struktur entsteht, durch welche die Schlacke in die Grube laufen kann. Baut man einen Ofen ohne Grube, so ist während des Prozesses ein Abstich der Schlacke nötig, mit der Grube läuft diese jedoch nach unten und die Luppe sammelt sich darüber. Dies funktioniert tatsächlich in der Praxis recht gut.
Danach füllt man den Ofen zu einem Drittel bis Hälfte mit Holzkohle und schiebt dann durch die Düsenöffnung ein Stück glühende Kohle, anschließend bläst man Luft in den Ofen. Wenn die Kohle gut glüht, füllt man den Ofen bis oben hin mit Kohle auf.
Ist die Kohle schließlich ein Stück heruntergebrannt, kann damit begonnen werden Eisenerz in den Ofen zu geben. Bewährt hat sich eine Erzgabe von rund 5 kg pro Stunde. Das heißt am besten alle 6 Minuten 500 g Eisenerz in den Ofen geben, dazu jeweils die gleiche Masse an Holzkohle unter Umständen sogar ein wenig mehr. Zu empfehlen ist die Zugabe von ca. 15 g Kalk pro 500 g Eisenerz, was die Schlackebildung und Aufkohlung günstig beeinflussen kann. Bei 15 kg Erz ist diese Prozedur somit nach 3 Stunden abgeschlossen. Danach füllt man in den Ofen noch für etwa eine halbe Stunde weiterhin Holzkohle nach wie bisher und lässt die Kohle dann bis auf etwa 10 cm über die Düsenhöhe abbrennen, anschließend stoppt man die Luftzufuhr. Die Lufteinblasung sollte bis hierhin während dieser ganzen Zeit kontinuierlich erfolgen.
Den Ofen im Anschluss mit einer massiven Eisenstange öffnen und wenn alles wie erwartet geklappt hat, findet sich im unteren Bereich die Luppe. Diese kann noch im heißen Zustand entweder mit einem großen Holzhammer (kühlt das Material weniger ab und klebt auch nicht an selbigem) oder auch einem normalen Hammer verdichtet werden, was das anschließende Schmieden etwas erleichtert.
Hinweis Holzkohle: die Holzkohle sollte im Optimum, wie man so schön sagt Walnuss- bis Mandarinengröße haben, aber auch gemischt mit etwas kleineren und größeren Stücken funktioniert es. Es sollten allerdings keine winzigen Bruchstücke oder sehr große Stücke verwendet werden. Nadelholzkohle eignet sich besser als Buchenholzkohle. Man braucht für 15 kg Erz rund 20 – 25 kg Holzkohle.
Eisenerz
Als unedles Metall kommt Eisen in der Natur nicht elementar vor, sondern nur in Form seiner Verbindungen, genannt Eisenerz. Eisenerz ist eine Mischung aus natürlich vorkommenden Eisenverbindungen und nichteisenhaltigem Gestein. Eisenerzminerale kommen in unterschiedlichsten Erscheinungsformen und Ausprägungen in der Natur vor. Die wichtigsten Eisenerzminerale sind Hämatit, Magnetit, Siderit und Limonit.
Einige Eisenerzminerale näher betrachtet:
Limonit
Limonit(auch Brauneisenerz oder Brauneisenstein genannt) ist kein eigenständiges Mineral, sondern ein eisenhaltiges Mineralgemenge verschiedener Eisenoxide und Eisenhydroxide. Beispielsweise ist es Bestandteil von Raseneisenerz und Bohnerz. Der Name ist vom griechischen leimon („Wiese“) abgeleitet, weil die als Raseneisenerz bekannte Varietät eben auf feuchten Grasflächen gefunden wurde. Limonit ist gelblich-braun bis rötlich. Der Strich ist bräunlich (Die Strichfarbe bezeichnet in der Mineralogie die Farbe des Mineralpulvers. Das Mineral wird an einer rauen Porzellanfläche gerieben, um die Farbe des Abriebs zu bestimmen).
Hämatit und Magnetit
Hämatit und Magnetit stellen die wichtigsten Eisenerze dar, die heute in vielen Ländern in Großtagebauen gewonnen werden.
Reiner Hämatit (auch Blutstein oder Roteisenstein genannt) ist ein blauschwarz glänzendes, undurchsichtiges Mineral, das nur in allerfeinsten Blättchen rötlich durchscheinend ist. Die Strichfarbe ist Blutrot. Das Mineral kann an der Luft bunt anlaufen. Der schwarze Hämatit verwittert an der Luftfeuchtigkeit zu rotem Hämatit und ist für die Rotfärbung vieler Gesteine verantwortlich. Das Mineral kommt in unterschiedlichen Erscheinungsformen vor, z.B in sehr großen Mengen als gebändertes Eisenerz. Hämatit wird auch als Edelstein verarbeitet, beim Schleifen desselben verfärbt sich das Schleifwasser blutrot, vom griechischen Wort „hämateios“ = „blutig“ hat der Hämatit seinen Namen.
Magnetit ähnelt optisch dem Hämatit, ist im Unterschied zu diesem allerdings magnetisch und wird nicht rötlich (Strichfarbe Schwarz). Magnetit hat mit bis zu über 70% Eisenanteil den höchsten Eisengehalt aller Eisenerze. Die weltgrößte Magnetit-Lagerstätte befindet sich bei Kiruna mit seinen beiden Erzbergen Luossovaara und Kirunavaara in Nordschweden. Das Vorkommen wurde bereits im 17. Jahrhundert entdeckt, der Abbau im großen Stiel begann aber erst um 1900. Das Kiruna-Bergwerk ist heute das größte unterirdische Eisenerzbergwerk der Welt.
Siderit (Eisenspat)
Siderit ist ein wichtiges Eisenerz und wurde schon in der Antike abgebaut, es hat eine blassgelbe bis braune Farbe. Der Strich ist weiß. Nennenswerte Vorkommen in Deutschland finden sich beispielsweise im Harz, Thüringer Wald oder im sächsischen Erzgebirge. Der Erzberg in der österreichischen Steiermark gilt als die größte Lagerstätte der Welt.
Bohnerz
Bohnerz ist in unserer Gegend (im südlichen Franken) eine häufig zu findende Eisenerzart, es handelt sich hierbei um meist 3-15 mm große Kügelchen, selten finden sich bis zu 5 cm große Exemplare. Es entstand wohl im subtropisch warmen Tertiär bei der Verwitterung von eisenhaltigen Tonen. Häufig sind die Bohnerzkügelchen in Lehm eingebettet und können örtlich ergiebige Lagerstätten bilden. Die chemische Zusammensetzung von Bohnerz ist sehr unterschiedlich, daher schwankt die Farbe der Bohnerze zwischen Schwarz, verschiedenen Brauntönen bis ins gelbliche oder grünliche.
Raseneisenerz
Als Raseneisenerz (auch Raseneisenstein) werden durch ausgefallene Eisenminerale verfestigte Sedimente des Bodens in meist feuchten bis sumpfigen Grundwasserböden bezeichnet. Es besteht aus einem Gemenge von Sand, Tonerden und Eisenoxiden in unterschiedlichsten Mengenanteilen und Beimischungen. Raseneisenerz war wohl eines der als ersten abgebauten Eisenerze, denn durch sein oberflächennahes Vorkommen, nahe unter der Rasensode (daher der Name) ist es leicht mit Spaten und Hacke abzubauen. In Deutschland kommt oder kam (gilt als Großteils abgebaut) es in nennenswerten Mengen nur im Norden vor. Heute gibt es nur noch kleine Vorkommen, die nach modernen Maßstäben als nicht abbauwürdig gelten.
