Hochregallager in Stahlbauweise. Foto: Rainer Sturm / www.pixelio.de
Eisen und Stahl im Bauwesen
Baumetalle Teil 1: Eisenwerkstoffe sind im modernen Bauwesen von großer Bedeutung. Kein Metall kommt häufiger zum Einsatz. Das gilt insbesondere für das veredelte Material Stahl, das aus Eisen gewonnen wird. Stahl ist beispielsweise im Industriebau allgegenwärtig und wird dort für Profile und Stützen eingesetzt oder auch für Dacheindeckungen und Fassadenverkleidungen. Zudem spielt das Material eine große Rolle als Bewehrung im Stahlbetonbau. Doch was ist eigentlich der Unterschied zwischen Eisen und Stahl und wie werden die beiden Werkstoffe gewonnen?
Die Erdkruste besteht zu schätzungsweise 4 bis 6 % aus Eisen. Allerdings kommt das Metall dort nur selten in reiner Form vor. Meist haben die Eisenatome mit Sauerstoff reagiert und sind zu Eisenoxid geworden. Hinzu kommt, dass diese Eisenoxid-Kristalle in der Regel nur fein verteilt in Gesteinsblöcken vorkommen – in so genannten Eisenerzen. Wer also reines Eisen gewinnen will, muss über die technischen Mittel verfügen, den Stoff aus den Erzen heraus zu bekommen. Spätestens seit Beginn der Eisenzeit um etwa 800 v. Chr. weiß die Menschheit aber offenbar wie das geht. Schon damals konnte man Eisenerz schmelzen und daraus flüssiges Eisen zum Schmieden von Gegenständen wie Werkzeuge, Rüstungen oder Waffen gewinnen.
Legierungen
Reines Eisen ist allerdings für die meisten Anwendungen im Bauwesen ein zu weicher Werkstoff. Um ihn härter zu machen, wird der Rohstoff daher legiert. Unter einer Legierung versteht man die Veredelung des Metalls mithilfe von Elementen wie Kohlenstoff, Schwefel und Silicium sowie anderen Metallen. Diese Legierungselemente gehen übrigens keine feste chemische Verbindung mit dem Eisen ein, sie erzielen ihrer Wirkung vielmehr durch lose Einlagerung in die Kristallstruktur des Eisens.
Insbesondere Kohlenstoff spielt eine wichtige Rolle als Härter. Er macht das Eisen fester, aber auch spröder. Eine größere Härte lässt sich aber auch erzielen, wenn man Eisen mit Metallen wie Mangan oder Wolfram legiert. Eine Legierung mit Chrom, Nickel, Aluminium oder Kupfer macht Eisen dagegen rostbeständiger. Darüber hinaus gibt es noch zahlreiche andere Legierungsmöglichkeiten. Auf diese Weise lassen sich Eisenwerkstoffe mit unterschiedlichsten Eigenschaften herstellen.
Gusseisen und Stahl
Am österreichischen Erzberg wird rotfarbenes Eisenerz im Tagebau gewonnen. Foto: Susanne und Giovanni Romano / www.pixelio.de
Durch Eisenlegierung entstehen neue Materialien mit verbesserten Eigenschaften. Wenn das Eisen mit einem Kohlenstoffanteil von mehr als 2,06 % angereichert wurde, spricht man von Gusseisen. Es wird im Bauwesen beispielsweise häufig für Kanaldeckel verwendet. Gusseisen ist sehr druckbeständig und auch weniger rostanfällig als normaler Stahl. Dafür ist das Material aber ausgesprochen spröde und daher bruchanfällig bei Zug- und Biegespannungen. Außerdem ist Gusseisen nicht kalt verformbar und lässt sich wegen des hohen Kohlenstoffgehalts nicht schmieden. Die Formgebung kann nur durch Gießen des geschmolzenen Materials erfolgen.
Letzteres ist einer der größten Unterschiede zum Stahl, der sich kalt und warm verformen lässt. Stahl ist per Definition Eisen mit einem Kohlenstoffgehalt von weniger als 2,06%. Bei Baustählen liegt der Kohlenstoffgehalt meist zwischen 0,1 und 0,5%. Seit die Industrialisierung moderne Formen der Stahlerzeugung gebracht hat, ist Stahl der mit Abstand am häufigsten verwendete metallische Werkstoff. Er hat das alte Gusseisen in den meisten Bereichen abgelöst. In der Praxis gibt es – je nach Art der Legierung – eine schier unüberschaubare Anzahl von Stahlsorten mit unterschiedlichsten Eigenschaften. Sie alle enthalten Eisen als Hauptbestandteil sowie den angesprochenen Kohlenstoff. Hinzu kommen weitere Metall- und Nichtmetallbeimischungen.
Stahlherstellung
Kanaldeckel aus Gusseisen. Foto: M. Großmann / www.pixelio.de
Für die Stahlherstellung werden die meist feinkörnigen natürlichen Eisenerze in einem ersten Schritt gesintert. Das bedeutet, dass sie unter Zugabe von Stoffen wie Koks und Kalkstein geschmolzen und dadurch zu größeren Klumpen „zusammengebacken“ werden. In dieser Form sind sie besser geeignet für den Hochofen, wo das Eisenerz abwechselnd mit Lagen aus Koks aufgeschichtet und dann bei Temperaturen bis 1.500 °C erneut geschmolzen wird.
Durch die Behandlung im Hochofen schmelzen die Gesteinsanteile im Eisenerz. Da sie leichter als das Roheisen sind, schwimmen sie auf diesem und können deshalb als Schlacke leicht abgetrennt werden. Zugleich entweicht ein Großteil des Sauerstoffs aus den Eisenoxidverbindungen. Dafür hat das nun reinere Eisen aber Kohlenstoff aus dem Brennstoff Koks aufgenommen. Bei den meisten Stahlsorten wird der Kohlenstoffgehalt im Verlauf weiterer Produktionsschritte wieder gesenkt.
