Kategorie: technische Prozesse

Die Reaktionswärme – exotherm / endotherm

Bei jeder chemischen Reaktion finden Prozesse der Energieumwandlung statt. Da jede Substanz ein gewisses Potential hat, das chemische Energie genannt wird, können bei Prozessen Wärme, Licht, elektrischer Strom oder Bewegungsenergie in Erscheinung treten.

exotherm

Prozesse, die mehr Energie liefern(abgeben)
als sie zugeführt bekommen, heißen „exotherm„.

Die Verbrennungsprozesse von Holz, Kohle, Benzin und Diesel, Heizöl oder Wasserstoff sind exotherme Prozesse.
Auch das Lösen von Natriumhydroxid (NaOH) in Wasser oder das Verdünnen von Säuren verlaufen unter Erwärmung des Lösungsmittels.

Anwendungsbeispiel:

Bildquelle www.hotcan.com

Video zu den heißen Dosen

endotherm


Prozesse, die mehr Energie zugeführt bekommen,
als sie abgeben heißen „endotherm„.

Der berühmteste endotherme Prozess ist nur aktiv, wenn die Energiequelle Sonnenlicht verfügbar ist. Nachts stoppt der Prozess. Die Pflanzenwelt unseres Planeten nutzt die „Photosynthese“ um aus Kohlendioxid und Wasser den Energiereichen Stoff Glucose(Traubenzucker) herzustellen und liefert das Nebenprodukt Sauerstoff. Lebensnotwendig für die Tierwelt.

Ein Salz, welches beim Lösen in 20°C warmem Wasser dem Lösungsmittel die Wärme entzieht, ist zum Beispiel Kaliumnitrat. Das Wasser kühlt bei Zugabe des Salzes ab. Die ersten Verfahren Erzeugung von Kälte waren die sogenannten Kältemischungen, bei denen man solche Salze mit Eis, Schnee oder Wasser mischte. So konnte man mit den unterkühlten Flüssigkeiten andere Gegenstände kühlen oder auch Wasser gefrieren. Die Idee des Kühlschrankes war nur noch einen Schritt entfernt.

Beispiel für eine endotherme Reaktion:

weitere Versuche zu „exotherm“ und „endotherm„:

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Stahl – eine Eisenlegierung

Inzwischen zählen wir mehr als 5000 Legierungen mit dem Namen Stahl.

Stahl ist eine eisenhaltige Legierung, die maximal 2% Kohlenstoff enthält. Der Gehalt an Schwefel oder Mangan variiert ebenso wie der Phosphorgehalt und die Anteile an weiteren eigenschaftsbeeinflussenden Metallen und Nichtmetallen. Stoffe, die den Stahl in seinen Eigenschaften verschlechtern, nennt man Störstoffe. Eigenschaftsverbessernd sind vor allem die Legierungsmetalle wie Chrom, Nickel, Vanadium, Titan, Aluminium und einige mehr.

Stahl wird direkt im Anschluss an den Hochofenprozess in benachbarten Stahlfabriken hergestellt. Dazu wird das Roheisen aus dem Hochofen in offenen Pfannen in das Stahlwerk transportiert und dort in einem ersten Schritt von seinen Störstoffen befreit, danach im 2. Schritt mit den eigenschaftsverbessernden Stoffen legiert.

Stahlherstellung – die Anfänge

Stahl - die Thomasbirne
Thomasbirne – Blasverfahren – Dortmund-Hörde

Die Herstellung von Stahl begann bereits in der Antike. Zunächst gewannen die Menschen Eisen in kleinen Rennöfen, in denen Eisenerz mit Holzkohle erhitzt wurde. Dabei entstand kein flüssiges Eisen, sondern eine zähe Eisenmasse, die noch viele Schlackenreste enthielt. Durch wiederholtes Erhitzen und Hämmern wurden diese Verunreinigungen entfernt und das Eisen fester und belastbarer.

Schon früh (1742) entwickelte B. Huntsman das Gussstahlverfahren. Dabei wurde schmiedbares Eisen zusammen mit Holzkohle über lange Zeit (tagelang) in verschlossenen Tiegeln erhitzt. Der Kohlenstoff drang in das Eisen ein und verwandelte es in hochwertigen Stahl. Dieser zeichnete sich durch große Härte und gute Bearbeitbarkeit aus und wurde beispielsweise für Werkzeuge und Waffen verwendet.

Mit Beginn der Industrialisierung stieg der Bedarf an Stahl stark an. Eine wichtige Rolle spielte nun das Pudeln. In einem Puddelofen wurde flüssiges Roheisen ständig von Hand durchmischt. Dabei verbrannten überschüssiger Kohlenstoff und andere Begleitstoffe durch den Sauerstoff der Ofenluft. Es entstand schmiedbares Pudeleisen, das sich hervorragend für Brücken, Schiffe und Eisenbahnstrecken eignete.

Ein berühmtes Bauwerk aus Pudeleisen ist der Eiffelturm in Paris. Er wurde 1889 fertiggestellt und zeigt eindrucksvoll, welche großen und stabilen Konstruktionen mit diesem Werkstoff möglich waren. Erst später wurden das Puddelverfahren und andere ältere Verfahren durch moderne Sauerstoff-Konverter zur wirtschaftlichen Stahlerzeugung ersetzt. Die Blas-Verfahren übernahmen die Aufgabe.

Die Blas-Verfahren (Frischen) im historischen Vergleich

Stahl Konverter im zeitlichen Überblick
Vereinfachte schematische Gegenüberstellung der Blasverfahren – spezifische Bauformen werden vernachlässigt

Merkmal Bessemer-Verfahren Thomas-Verfahren Linz-Donawitz-Verfahren (LD) KMS-Verfahren

Einführung 1856 1878 1952 ab ca. 1980er Jahre

Blasmedium Luft Luft Reiner Sauerstoff Reiner Sauerstoff + Inertgas (Argon oder Stickstoff)

Einblasrichtung von unten von unten von oben (Sauerstofflanze) von oben und unten

Konverterauskleidung sauer basisch basisch basisch

Geeignetes Roheisen phosphorarm phosphorreich nahezu alle Roheisensorten nahezu alle Roheisensorten

Entfernung von Kohlenstoff Ja Ja Ja Ja

Entfernung von Phosphor Nein Ja Ja Ja (besonders wirksam)

Durchmischung der Schmelze gering gering gut sehr intensiv

Stahlqualität gut besser als Bessemer sehr hoch sehr hoch und besonders homogen

Heute verwendet? Nein Nein Ja Ja (moderne Weiterentwicklung)

Die Chemie der Stahlherstellung

Stahl, an interactive worksheet by Jens Grescho

liveworksheets.com


Moderne Bestrebungen

Der starke CO2-Ausstoß durch die kohlenstoffbasierte Reduktion von Eisenerzen ist eine starke Klima-Belastung. Daher ist es nur vernünftig, Bestrebungen zu folgen, die Verwendung klassischer Hochofen abzulösen und Kohlenstoff durch Wasserstoff als Reduktionsmittel zu ersetzen (Wasserstoff-Direktreduktion „H-DR“). Wasserstoff reagiert dabei im Prozess mit dem Eisenoxid zu Wasserdampf und Eisen. 

Fe2O3+3H2⟶2Fe+3H2O

Mehr ?
Artikel VDI- Nachrichten
Salzgitter – AG – Anlage zur Direktreduktion

Medien und Arbeitsmaterial

Stahl wird zum großen Teil aus Roheisen gewonnen- aber nicht ausschließlich…

{\displaystyle {\mathrm {Fe} {\vphantom {A}}_{\smash[{t}]{2}}\mathrm {O} {\vphantom {A}}_{\smash[{t}]{3}}{}+{}3\,\mathrm {H} {\vphantom {A}}_{\smash[{t}]{2}}{}\mathrel {\longrightarrow } {}2\,\mathrm {Fe} {}+{}3\,\mathrm {H} {\vphantom {A}}_{\smash[{t}]{2}}\mathrm {O} }}

Eine ausführlichere Variante…

Variante 2

Stahl aus Schrott, auch das geht…Der Elektrostahlofen

Einen guten Überblick über die Stahlsorten und ihre Benennung liefert LINK.

Übersicht – Wirkung von Legierungselementen Quelle: https://www.stauberstahl.com/stahllegierungen/

Downloadlink von Stauberstahl: PDF

           
Aluminium   – erhöht Desoxidation
– erhöht Ferritstabilisierung		       – vermindert Alterungsanfälligkeit
Berylium   – erhöht Desoxidation   – verringert Zähigkeit    
Bor   – erhöht Streckgrenze
– erhöht Festigkeit
– erhöht Sprödigkeit
– erhöht Warmfestigkeit		   – veringert Korrosionsbeständigkeit
– verringert Schmiedbarkeit		   – verhindert die Bildung von Perlit- und Ferritstrukturen im Material und verbessert dadurch Härtbarkeit und Festigkeit
Cerium   – erhöht Desoxidation        
Chrom   – erhöht Abkühlungsgeschwindigkeit
– erhöht Verschleißfestigkeit
– erhöht Warmfestigkeit
– erhöht Zugfestigkeit
– erhöht Härte		   – verringert Kerbschlagarbeit
– verringert Schweißbarkeit
– veringert Wärmeleitfähigkeit
– verringert elektrische Leitfähigkeit		   – typ. in Kombination mit Nickel
– verbessert in hoher Konzentration die Korrosionsbeständigkeit (ab 12%)
Kohlenstoff   – senkt den den Schmelzpunkt
– erhöht Härte
– erhöht Festigkeit
– erhöht Zugfestigkeit
– erhöht Sprödigkeit		   – verringert Schmiedbarkeit
– verringert Kerbschlagarbeit
– verringert Schweißbarkeit
– verringert Bruchdehnung
– verringer Duktilität		   – verbessert mechanische Eigenschaften
Kobalt   – erhöht Härte
– erhöht  Warmfestigkeit		        
Kupfer   – erhöht Korrosionsbeständigkeit
– erhöht Festigkeit
– erhöht Härtbarkeit		   – verringert Bruchdehnung
– verringert Duktilität		   – Kupfer verbessert auch thermische und elektrische Leitfähigkeit
Mangan   – erhöht Schweißbarkeit
– erhöht Festigkeit
– erhöht Zähigkeit
– erhöht Verschleißwiderstand
– erhöht Warmfestigkeit
– erhöht Zugfestigkeit
– erhöht Schmiedbarkeit
– erhöht Schweißbarkeit
– erhöht Ferritstabilisierung		   – verringert Duktilität
– verringert Zerspanbarkeit		   – typ. in Kombination mit Phosphor und Schwefel verwendet
– Mangan reagiert mit Schwefel (lässt Mangansulfide entstehen, die für kurzbrechende Späne sorgen)
– verbessert Härtbarkeit, überschüssiger Sauerstoff kann in geschmolzenem Stahl mit Mangan entfernt werden
– verbessert mechanische Eigenschaften
Molybdän   – erhöht Härtbarkeit
– erhöht Zugfestigkeit
– erhöht Schweißbarkeit
– erhöht Dehnbarkeit
– erhöht Warmfestigkeit		   – verringert Schmiedbarkeit
(bei hoher Konzentration)		   – typ. in Kombination mit Chrom und Nickel
– verstärkt Wirkung anderer Legierungselemente
– verbindet sich mit Kohlenstoff und erhöht dadurch die Härte durch Bildung von Karbiden
Nickel   – erhöht Zugfestigkeit
– erhöht Härte
– erhöht Festigkeit
– erhöht Streckgrenze
– erhöht Ferritstabilisierung		   – verringert Wärmedehnung   – typ. in Kombination mit Chrom
– typ. in Kombination mit Molybdän
– verbessert ab einer Konzentration von 8% Korrosionsbeständigkeit
Phosphor   – erhöht Zugfestigkeit (in Baustählen)
– erhöht Härte
– erhöht Korrosionsbeständigkeit
– erhöht Versprödung		   – verringert Schweißbarkeit
– verringert Kerbschlagarbeit
– verringert Duktilität		    
Schwefel   – erhöht Zerspanbarkeit
– erhöht Sprödigkeit		   – verringert Kerbschlagarbeit
– verringert Polierbarkeit
– verringert Verformbarkeit
– verringert Zähigkeit		   – typ. in Kombination mit Mangan zur Reduzierung der Heißbruchgefahr
Silizium   – erhöht Festigkeit
– erhöht Härte
– erhöht Zugfestigkeit		   – verringert Bruchdehnung
– verringert Schweißbarkeit
– verringert Zerspanbarkeit		   – verbessert magnetische Eigenschaften
Stickstoff   – erhöht Festigkeit
– erhöht Versprödung		   – verringert Korrosionsbeständigkeit   – wirkt stabilisierend auf Austenitgefüge
– verbessert mechanische Eigenschaften bei erhöhter Temperatur
Titan   – erhöht Korrosionsbeständigkeit
– erhöht Desoxidation		       – stabilisierendes Element in Edelstahl
– bindet Kohlenstoff und verbessert dadurch Korrosionsbeständigkeit und Schweißbarkeit
Vanadium   – erhöht Zugfestigkeit
– erhöht Härte
– erhöht Warmfestigkeit
– erhöht Zähigkeit		        
Wolfram   – erhöht Zugfestigkeit
– erhöht Härte
– erhöht Warmfestigkeit		   – verringert Zerspanbarkeit   – verbessert Formbarkeit bei hohen Temperaturen und wird daher oft in Werkzeugstahl oder Schnellarbeitsstahl verwendet

Downloadlink von Stauberstahl: PDF

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