Gewinnung der Werkstoffe (Stahl, Alu, Kunststoff)

🏭 Gewinnung der Werkstoffe

Wie werden aus Rohstoffen (Erde, Stein, Öl) unsere Werkstoffe? Hier sind die drei wichtigsten Verfahren.

1. Stahlherstellung (Vom Erz zum Stahl)

Der Prozess besteht aus zwei Hauptschritten: Erst wird Eisenerz zu Roheisen (im Hochofen), dann Roheisen zu Stahl (im Konverter).

A. Der Hochofen (Erzeugung von Roheisen)

Hier wird dem Eisenerz der Sauerstoff entzogen ("Reduktion").

  • Zutaten (Möller):

    1. Eisenerz: (z.B. Magnetit, Hämatit) Enthält Eisen & Sauerstoff.
    2. Koks: (Aus Kohle) Liefert Hitze und Kohlenstoff (C) zur Reduktion.
    3. Zuschläge: (Kalk) Binden den Dreck zur Schlacke.
    4. Heißwind: Sauerstoff für die Verbrennung.

  • Der Prozess:

    • Oben wird gefüllt ("begichtet").
    • Unten wird heißer Wind eingeblasen (bis 2000°C).
    • Das Koks verbrennt und entzieht dem Erz den Sauerstoff.
    • Unten sammelt sich flüssiges Roheisen und darauf schwimmende Schlacke.
Das Problem mit Roheisen

Roheisen hat ca. 4 - 5% Kohlenstoff. Es ist hart und spröde (wie Glas) und noch nicht schmiedbar. Es muss zu Stahl weiterverarbeitet werden.

B. Das LD-Verfahren (Linz-Donawitz-Verfahren) (Frischen zu Stahl)

Um aus Roheisen Stahl zu machen, muss der Kohlenstoff raus (auf unter 2,06%). Das nennt man "Frischen".

  • Das flüssige Roheisen kommt in einen Konverter (Tiegel).
  • Eine Lanze bläst reinen Sauerstoff auf das Bad.
  • Der überschüssige Kohlenstoff verbrennt (C + O₂ CO₂).
  • Ergebnis: Rohstahl.

C. Sekundärmetallurgie & Strangguss

  • Im Pfannenofen werden Legierungselemente (Chrom, Nickel, etc.) zugegeben.
  • Der Stahl wird in einen endlosen Strang gegossen und in Brammen (Platten) geschnitten.

2. Aluminiumherstellung (Stromfresser)

Aluminium kommt nicht gediegen in der Natur vor, sondern steckt in einer rötlichen Erde namens Bauxit.

Schritt 1: Bayer-Verfahren

Aus dem Bauxit wird reines Aluminiumoxid () (ein weißes Pulver, auch Tonerde genannt) chemisch herausgelöst.

Schritt 2: Schmelzfluss-Elektrolyse (Hall-Héroult)

Um das Aluminium vom Sauerstoff zu trennen, reicht Hitze nicht. Man braucht Strom.

  • Das Aluminiumoxid wird geschmolzen (mit Kryolith bei ca. 960°C).
  • In der Wanne sind Kohle-Elektroden (Anode & Kathode).
  • Gleichstrom fließt durch die Schmelze.
  • Das reine Aluminium sammelt sich am Boden, der Sauerstoff reagiert mit den Kohle-Anoden zu CO₂.
Primär- vs. Sekundäraluminium
  • Primäralu: Neu hergestellt aus Erz. Kostet extrem viel Energie (Strom).
  • Sekundäralu (Recycling): Aus Schrott eingeschmolzen. Braucht nur 5% der Energie der Neuherstellung! Deshalb Alu immer sammeln!

3. Kunststoffherstellung (Vom Öl zum Plastik)

Die Basis für fast alle Kunststoffe ist Erdöl (Rohöl).

Schritt 1: Destillation (Raffinerie)

Das Rohöl wird im Destillationsturm erhitzt und in seine Bestandteile zerlegt. Für Kunststoffe brauchen wir das Rohbenzin (Naphtha).

Schritt 2: Cracking

Die langen Kohlenwasserstoff-Ketten des Benzins werden durch Hitze aufgebrochen ("gecrackt"). Es entstehen kleine Bausteine (Monomere), z.B. Ethylen.

Schritt 3: Synthese (Zusammensetzen)

Die kleinen Bausteine (Monomere) werden zu riesigen Ketten (Polymere) verknüpft. Dafür gibt es drei chemische Arten:

  1. Polymerisation: Die Moleküle verketten sich ohne Abfallprodukt. (Klassiker: PE, PP, PVC).
  2. Polykondensation: Beim Verketten wird Wasser abgespalten. (Klassiker: Polyamid, PET).
  3. Polyaddition: Verschiedene Moleküle addieren sich (Härter + Harz). (Klassiker: Epoxidharz, PUR).

4. Übersicht: Energieaufwand

Werkstoff Rohstoff Verfahren Energiebedarf
Stahl Eisenerz + Koks Hochofen + Konverter Mittel
Aluminium Bauxit Elektrolyse Sehr Hoch
Kunststoff Erdöl Synthese Mittel (aber Rohstoff ist endlich)