Entdeckung von Eisen als Werkstoff

Der Zeitpunkt zu dem die Menschen das erste Mal in der Lage waren Eisen zu verarbeiten ist nicht bekannt. Die ältesten Belege für die Verwendung von Eisen stammen aus der Zeit um 4000 vor Christus. Damals verwendeten die Ägypter eisenhaltiges Meteoritengestein, um kleine Schmuckstücke anzufertigen.

Das erste Mal waren die Menschen etwa 3000 Jahre v. Chr. mithilfe des Rennverfahrens in der Lage, aus Eisenerz reines Eisen herzustellen. Das Verfahren breitete sich mehrere Jahrtausende lang überall aus und wurde erst im 14. Jahrhundert von besseren Verfahren abgelöst. Im Rennofen wurden Schichten aus Holzkohle und Eisenerz übereinander gestapelt. Dadurch lagen die Temperaturen zwischen 800 und 900°C und ermöglichten es, eine sogenannte Luppe zu erhalten. Die Luppe ist eine teigige Masse aus Metall mit Schlackeeinschlüssen. Um die Schlacke zu entfernen, wurde das Metall geschmiedet, das führte bereits zu einer recht hohen Qualität.

Etwa zur gleichen Zeit entwickelte sich auch die fortschrittliche Technik des Härtens von Eisen. Das Verfahren wurde zunächst vor allem für Waffen angewendet

Gegen Ende dieser Zeit wurde auch das Tiegelschmelzverfahren entwickelt, welches es zuerst ermöglichte Eisen mit einem Kohlenstoffgehalt von weniger als 2,1 Prozent - also Stahl - zu gewinnen. Diese Methode konnte allerdings nie große Bedeutung erlangen.Schmied bearbeitet Eisen

Hochöfen produzieren erstmals flüssiges Eisen

Die ersten Hochöfen entwickelten sich Mitte des 14. Jahrhunderts aus den alten Rennöfen, als diese immer höher gebaut und mit stärkeren Gebläsen ausgestattet wurden. Erstmals erhielt man damit anstelle der Luppe flüssiges Eisen. Das gewonnene Roheisen aus dem Hochofen enthält sehr viel Kohlenstoff und ist damit auch extrem spröde. Trotzdem ermöglichte erst das Roheisen den Übergang zum Frischeisen und damit zur Stahlproduktion.

Die Hochöfen aus der Anfangszeit sind allerdings nur sehr begrenzt mit den heutigen vergleichbar. Obwohl sie noch auf dem selben Prinzip basieren, konnten sie in vielen Bereichen weiterentwickelt und optimiert werden. Somit sind heutige Hochöfen deutlich effizienter und besser als die damaligen.

Stahlproduktion im Frischfeuer

Nachdem die ersten Hochöfen in Betrieb gingen musste man sich Gedanken über die Entkohlung des produzierten Roheisens machen. Dies gelang zum ersten Mal auch im 14. Jahrhundert, indem man in das flüssige Eisen Luft einblies. Dieser, Frischen genannte Vorgang, oxidiert die Nebenprodukte im Eisenerz. Nach dem Schmieden bleibt sogenanntes Schmiedeeisen mit geringen Anteilen an Verunreinigungen übrig.

Im Jahr 1709 führte Abraham Darby aufgrund der Verknappung von Holzkohle die Verwendung von Koks im Hochofen ein. Damit legte er den Grundstein für die Entwicklung des Puddel Verfahrens durch Henry Cort im Jahr 1784. 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 Eisen mit der Luft in Berührung.

Industrielle Revolution verlangt mehr Stahl denn je

Nachdem James Watt Mitte des 19. Jahrhunderts die Dampfmaschine erfand, begann die Industrielle Revolution unglaublich schnell Fahrt aufzunehmen. Die alten Verfahren der Stahlproduktion waren somit bei weitem nicht mehr produktiv genug.

All das spielte sich hauptsächlich in England ab. In Deutschland dagegen steckte die Stahlproduktion noch in den Kinderschuhen. 1819 war Friedrich Harkort in Wetter (Ruhr) einer der ersten Stahlproduzenten in Deutschland. Kurz darauf nahm die Entwicklung aber auch in Deutschland, insbesondere im Ruhrgebiet, Fahrt auf.

Der Schotte James Beaumont Neilson führte 1828 eine entscheidende Verbesserung des Hochofens ein. Statt kalter Luft wurde jetzt heiße Luft eingeblasen, das ließ eine deutliche Senkung des Koksverbrauchs zu. Somit war die Roheisenproduktion kein limitierender Faktor mehr. Das Problem lag hauptsächlich im Vorgang des Frischens der durch den großen Aufwand nur eine geringe Produktion erlaubte.

Bessemer und Siemens-Martin revolutionieren die Stahlproduktion

Die sogenannte Bessemer-Birne wurde von Henry Bessemer im Jahr 1855 entwickelt. Der Name Thomas Stahl Konverterstammt von der Birnenform des Ofens der innen mit Silizium ausgekleidet ist. Nun mussten die Arbeiter das glühende Eisen nicht mehr von Hand umrühren, stattdessen wurde Pressluft verwendet. Obwohl das Prinzip noch immer nahezu gleich war, erreichte die Bessemer Birne, durch das während des Frischens verbrennende Silizium, deutlich höhere Temperaturen und machte einen nahezu Kohlenstoff freien Stahl möglich.

Das Bessemer Verfahren hatte allerdings den Nachteil, dass nur relativ seltene, Phosphor-arme Eisenerze verwendet werden konnten. Deshalb führte Sidney Gilchrist Thomas 1877 in England das Thomas Verfahren ein. Er mauerte den Ofen mit Wasserglas und Kalk aus und war somit in der Lage den Phosphor zu binden. Das Thomas Verfahren wird auch als Windfrischverfahren bezeichnet.

1856 lösten die Gebrüder Friedrich und Wilhelm Siemens das Problem der Erzeugung von sehr hohen Temperaturen. Die Regenerativfeuerung nutzte die Wärme der Abgase um die Verbrennungsluft zusätzlich aufzuheizen. Dadurch verringerte sich der Brennstoffverbrauch und es war möglich auch Schrott wieder mit einzubringen. Durch die hohen Temperaturen wurden Stähle mit besonders guten Eigenschaften möglich, die zum Beispiel für Schiffsbleche eingesetzt wurden.

Wilhelm Siemens gelang 1879 ein weiterer Durchbruch. Er entwickelte den Elektroofen, der auf ganz einfache Weise extrem hohe Temperaturen erzeugen konnte. Strom war allerdings zu der Zeit noch sehr teuer und damit wurde der Elektroofen zunächst nur für hoch-belastbare Stähle eingesetzt.

Heute hat sich das Sauerstoff-Blasverfahren durchgesetzt. Zur Wiederverwendung von Schrott werden häufig Elektroöfen verwendet.