Stahl: Zeitloser Zukunftsträger

1. Stahl im Überblick

Den Begriff an sich dürften die meisten Leser kennen. Aber was steckt hinter Stahl? Und warum konnte ein einzelner Werkstoff aus lauter unedlen Metallen zeitweise ein solches Politikum sein? Das alles zeigen wir in der Übersicht.

Stahl – Eisen – Metall?

Eigentlich dürfte es jeder in der Schule gelernt haben; aber diese Zeit liegt eben meist schon einige Jahre zurück. Deshalb kurz die Begrifflichkeiten:

> Metall ist nur ein Oberbegriff. Er umfasst jedoch nicht weniger als 95 – der insgesamt 118 bekannten – Elemente.

> Eisen ist eines dieser Elemente, der wichtigste Bestandteil von Stahl und kann ein eigener Werkstoff sein.

> Stahl ist nach korrekter Definition kein Metall; er findet sich schließlich nicht im Periodensystem. Richtiger ist, dass er ein metallischer Werkstoff auf Eisenbasis ist. Werden ihm andere Metalle kontrolliert zugesetzt, wird er zu einer Legierung.

Das heißt, umgangssprachlich ist es zwar üblich, Stahl als Metall zu bezeichnen, technisch ist es jedoch falsch.

Die Herstellung von Stahl im Überblick

Wie noch zu lesen sein wird, gibt es zahlreiche Stahlerzeugungsverfahren. Das (moderne) Grundprinzip sieht jedoch folgendermaßen aus:

> Eiserenz wird in einem Hochofen mit Kokskohle erhitzt und gleichzeitig durch dieses Material reduziert, indem Kohlenstoff und Kohlenmonoxid dem Eisenoxid den Sauerstoff entziehen.

> Es entsteht Roheisen, ein mit anderen Elementen (vornehmlich Mangan, Phosphor, Schwefel und Silizium) verunreinigtes, zirka vier Prozent Kohlenstoff enthaltendes Zwischenprodukt.

> Dem flüssigen Roheisen wird reiner Sauerstoff zugegeben (das sogenannte Frischen). Dadurch werden die Verunreinigungen oxidiert und entweichen der Schmelze. Übrig bleibt Rohstahl.

> Dieser Rohstahl wird nach den gewünschten Anforderungen weiterverarbeitet. Beispielsweise, indem ihm kontrollierte Mengen an Legierungselemente zugegeben werden.

Der so entstehende Stahl wird in große Formen (sog. Kokillen) gegossen. In ausgehärtetem Zustand wird er dann weiterverarbeitet.

Eine kurze Geschichte

Rund 3000 Jahre vor unserer Zeitrechnung begannen altägyptische Kulturen damit, Eisen aus Meteoriten zu gewinnen – entsprechend kostbar waren daraus hergestellte Gegenstände. Doch erst zirka 1500 Jahre später wurde auch irdisches Eisenerz in sogenannten Rennöfen mit Holzkohle erhitzt.

Mangels chemischer Kenntnisse dürfte damals nur die große Hitze der Holzkohle von Interesse gewesen sein. Praktisch sorgte sie jedoch dafür, dass ein gewisser Reduktionsprozess ablief. Es entstand die sogenannte Luppe (heute Eisenschwamm genannt). Da dieses Roheisen jedoch nicht verflüssigt wurde, war es mit Verunreinigungen durchsetzt. Die weitere Reinigung erfolgte durch Aushämmern der Schlacke, wodurch ein simpler, unlegierter und wenig wiederholgenauer „Ur-Stahl“ (auch Schmiedeeisen genannt) entstand. Ab einem Kohlenstoffgehalt von 0,3 Prozent war dieser Stahl bereits durch Abschrecken härtbar und konnte durch kontrolliertes Temperieren wieder angelassen werden, was die Zähigkeit wieder erhöhte.

Gleichsam änderte sich das Verhältnis Brennstoff zu Roheisen rapide – wichtig nicht zuletzt deshalb, weil die Stahlherstellung für dramatische Abholzungen gesorgt hatte. Ein Umdenken ist nur dem Briten Henry Cort zu verdanken. Er ersann 1784 das Puddelverfahren, wodurch die Nutzung der günstigeren Kohle möglich wurde.

Stahl = Macht: Kurzer Exkurs in die Politik

Eisen ist das vierthäufigste Element in der Erdkruste. Dennoch entwickelte es in bearbeiteter Form schon früh die Rolle eines Machtgaranten. Denn wer (Schmiede-)Eisen und somit Stahl herstellen konnte, hatte unter anderem die Möglichkeit, für die jeweilige Zeit hochwertige Waffen zu fertigen.

Zwar ging der Fokus auf Waffen in der Industrialisierung zurück, nicht jedoch die machtpolitische Rolle. Nun wurde die Macht dadurch geprägt, wie gut eine Nation die komplexeren Prozesse der Stahlherstellung beherrschte und wie viele Tonnen sie davon in gleichbleibender Qualität anfertigen konnte. Dementsprechend zählten die großen stahlproduzierenden und kohlefördernden Nationen im 19. und frühen 20. Jahrhundert auch zu den mächtigsten Staaten der damaligen Welt.

Beendet wurde diese Dominanz der Montanindustrie erst nach dem Zweiten Weltkrieg, als andere Branchen, Werkstoffe und Techniken dominierender wurden – beispielsweise Elektronik beziehungsweise Digitaltechnik.

Allerdings spielt Stahl bis zum heutigen Tage eine machtpolitische Rolle. Diesmal ist es vor allem die chinesische Dominanz (auch) bei der Herstellung von Stählen, welche anderen Nationen Sorgen bereitet.

2. Stahl in der heutigen Welt

Die Bewehrung in jedem Betonfundament; die meisten Lebensmitteldosen; ein Großteil aller Fahrzeugkarossen; sämtliche Industriemaschinen und dazu Myriaden weitere Produkte bestehen aus Stählen. In diesem Kapitel zeigen wir, wie die heutige stählerne Welt aussieht.

Die wichtigsten praktischen Herstellungsverfahren Kohle möglich wurde.

Seit dem Rennofen wurde die Stahlherstellung immer wieder verfeinert. Vor allem während der Industrialisierung entstanden mehrere Methoden, die sich vor allem durch die Art und Weise des Luft- bzw. Sauerstoffkontakts der Schmelze unterschieden. Insgesamt ist das Thema Herstellungsverfahren sehr komplex und würde den Rahmen dieses Artikels bei Weitem sprengen. Deshalb an nur eine grundsätzliche Übersicht.

Prinzipiell unterscheiden sich zwei Herangehensweisen:

> Das Blasverfahren, bei dem Sauerstoff durch Frischen eingeblasen wird.

> Das Herdfrischverfahren, bei dem Schrott und oxidische Erze als Sauerstofflieferanten dienen.

Heute wird die Majorität aller Stähle mittels moderner Blasverfahren im Hochofen hergestellt. Ein gewisser Teil wird jedoch im Elektroofenprozess, und damit einem Herdfrischverfahren, aus Schrott hergestellt.

Von Bändern zu Blechen: Unzählige Ausprägungen

Wenn Stahl in eine Form gegossen wurde, dann ist er häufig zunächst nur ein Halbzeug. Etwa ein Block oder eine Stange, die nur in wenigen Fällen sofort gebrauchsfertig sind. Industrielle Stahlprodukte sind jedoch von einer großen Vielfalt geprägt – sowohl, was die Güteklassen angesichts der Stahlherstellung und der Legierungen anbelangt, wie auch die geometrischen Formen.

Bevor ein endgültiges Produkt entsteht, sind zunächst zumindest Umformungsprozesse vonnöten. Das bedeutet:

• Biegen
• Fließpressen
• Freiformschmieden
• Gesenkschmieden
• Strangpressen
• Tiefziehen
• Walzen

Dabei wird der Stahl entweder in warmem oder kaltem Zustand und mitunter über mehrere Umformungsschritte in seine gewünschte Form gebracht. Im letzten Schritt erfolgt typischerweise noch eine Wärmebehandlung, um den Härtegrad einzustellen, gegebenenfalls noch ergänzt um weitere Oberflächenvergütungen (bspw. Polieren).

Dabei wird der Stahl entweder in warmem oder kaltem Zustand und mitunter über mehrere Umformungsschritte in seine gewünschte Form gebracht. Im letzten Schritt erfolgt typischerweise noch eine Wärmebehandlung, um den Härtegrad einzustellen, gegebenenfalls noch ergänzt um weitere Oberflächenvergütungen (bspw. Polieren).

Hierin findet sich auch der wohl größte Vorteil von Stahl: Es gibt nur sehr wenige Grenzen, was seine Materialeigenschaften hinsichtlich der Vergütung anbelangt und noch weniger Grenzen, was die Formbarkeit betrifft.

Zudem ist Stahl in alle Richtungen gleichermaßen belastbar: Ganz gleich welche der fünf Belastungsarten, immer gelten für einen Stahl die gleichen Bedingungen, die sich nur durch die exakte Formgebung ändern. Hierin liegt der große Unterschied zu sehr vielen anderen Materialien, vor allem aus dem nichtmetallischen Bereich – Beton beispielsweise muss deshalb mit Stahl armiert werden, weil er empfindlich auf Zug- und Biegebelastungen reagiert.

Die Kritik: Der Energieverbrauch

Lange Zeit war es sehr problematisch, dass es kaum Möglichkeiten gab, diese Emission zu vermeiden – da zur Reduktion zwingend Kohlenstoff benötigt wurde. Wie allerdings noch zu lesen sein wird, befindet sich dieses Problem derzeit kurz vor der endgültigen Lösung.

Das Lob: Die unendliche Recycelbarkeit

Was passiert mit einem Kunststoff am Ende seines Lebens? Sofern er nicht sortenrein ist, kann er nur über hochkomplexe, teure und energieintensive Verfahren wieder in seine molekularen Bestandteile zerlegt werden.

Bei Stahl ist es hingegen anders. Er kann auch in hochlegierter Form beliebig oft durch Einschmelzen recycelt werden – nicht nur, ohne dass dabei die Qualität immer weiter sinkt, sondern auch ohne Verlust der kostbaren Legierungselemente.

Infolgedessen ist Stahlschrott heute eine gigantische Industrie, die fest in den großen Kreislauf der modernen Stahlerzeugung integriert ist und ohne die dieser nicht mehr funktionieren würde – und die gleichsam dafür sorgt, dass die Notwendigkeit zum Abbau von Eisenerz deutlich geringer als der Stahlverbrauch ist.

3. Stahl in Zahlen

Seit der Industrialisierung wird Stahl nur noch in Millionen Tonnen gemessen. Dementsprechend gewaltig sind auch die Zahlen bis zum heutigen Tag. In diesem Kapitel zeigen wir die Bedeutung vor allem in Form von Grafiken.

Historische Kenndaten bis heute

Dass China die mit weitem Abstand größte Stahlmacht des Planeten ist, lässt sich durch einen Blick auf die oben vorhandene Grafik sehen – mehr als 800 Millionen Tonnen Stahl sind weniger ein Wert als ein politisches Statement. Erst recht, wenn der Zweitplatzierte „gerade einmal“ gut 100 Millionen Tonnen herstellt. Dadurch zeigt sich auch, dass Stahl nach wie vor eine nicht zu unterschätzende machtpolitische Komponente besitzt.

Allerdings ist die reine Masse nur eines. Etwas anderes sind die unterschiedlichen Güteklassen. Hier hatte sich seit etwa der Jahrtausendwende ein gewisser geopolitischer Konsens eingestellt: China sowie die anderen aufstrebenden Stahlgiganten fokussierten sich auf simplere Massenstähle. Vor allem Europa und hier speziell Deutschland wandelten ihre Kapazitäten dagegen in Richtung Klasse: Stähle ausnehmend hoher Güte, die zwar nicht in großen Mengen nachgefragt werden, aber dennoch für zahlreiche Anwendungen unverzichtbar sind.

Hier konnten die „alten“ Stahlnationen ihre enorme Erfahrung in die Waagschale werfen. Aktuell allerdings ist nicht von der Hand zu weisen, dass China auch auf diesem Gebiet aufholt. Seit 2019 plant das Land eine Qualitätsoffensive; hochwertiger Stahl ist eine der Säulen für den 14. Fünfjahresplan von 2021 bis -25.

Viele Experten sehen deshalb für die kommenden Jahre einen weiteren Wandel anbrechen, der die europäische Stahlproduktion einmal mehr zwingt, sich dieser Übermacht anzupassen, um nicht überrollt zu werden; eine Nische zu finden, um weiterhin bedeutsam zu sein. Dafür allerdings stehen die Chancen ausnehmend gut, denn:

Stahl geht auch klimaneutral

Wir erinnern uns kurz an den Herstellungsprozess von Stahl: 

> Hohe Energiemengen, um das Eisen einzuschmelzen bzw. die weiteren Produkte zu erhitzen. 

> Die Verwendung von Koks, um den Sauerstoffgehalt in der Schmelze zu reduzieren und somit überhaupt erst die Stahlherstellung zu ermöglichen.

Die wichtigsten Nationen

Volkswirtschaftliche Bedeutung

Wie dramatisch Absatzprobleme für Stahl auf Volkswirtschaften wirken können, ließ sich in den großen Krisen des Materials in den 1960ern, vor allem den 1970ern sowie den 1980ern erkennen. Speziell die Ölkrisen 1973 und 1979 sorgten dafür, dass die Energiekosten abnorm anstiegen. In der Folge gerieten viele Stahlproduzenten in Bedrängnis; diejenigen im Bereich des „Ostblocks“ erlebten diese Wirkung ebenfalls, nur durch die dortige Planwirtschaft zeitverzögert.

In den USA beispielsweise waren 1953 etwa 650.000 Personen in der Stahlindustrie beschäftigt. Bis 1974 sank deren Anzahl lediglich recht zaghaft auf gut 510.000. Doch nur zehn Jahre später arbeiteten gerade einmal noch rund 235.000 US-Amerikaner in der Stahlindustrie. Binnen weniger Jahre verschwanden große Namen, die zuvor sinnbildlich für US-amerikanischen Stahl gestanden hatten. Die Bethlehem Steel Corporation beispielsweise musste die Tore schließen; viele andere Hersteller wurden aufgekauft. Die Angestelltenzahlen sanken bis 2019 auf einen absoluten Tiefpunkt, der sich im Bereich von 146.000 Menschen bewegt.

Auch in vielen anderen Nationen war und ist Stahl eng mit den wirtschaftlichen Staatseinnahmen und Arbeitsplätzen verknüpft. Laut der IG-Metall hingen in Deutschland anno 2010 allein 70.000 direkte Arbeitsplätze von der Stahlindustrie ab. Zählt man noch jene Branchen hinzu, die ohne Stahl nicht arbeiten können, waren es sogar 3,5 Millionen Personen – ein vor allem im Lichte der Deindustrialisierung hoher Anteil, da es in diesem Jahr insgesamt gut 48 Millionen Arbeitsplätze hierzulande gab.

Auch was das Monetäre anbelangt, ist Stahl weiterhin ein enorm wichtiger Faktor. 2019 erwirtschaftete die deutsche Stahlindustrie Umsätze in Höhe von 32,8 Milliarden Euro bei einem Gesamtumsatz des Landes von 1.200 Milliarden Euro.

4. Stahl in der Zukunft

Stahl war, ist und wird sein. Auch wenn außerhalb der Industrie in vielen Nationen die Ansicht vorherrscht, dass Stahl künftig „anderswo“ gemacht würde und viele sich aufgrund des Energiebedarfs und der CO2-Emissionen vielleicht daran nicht einmal stören, so sieht die Wirklichkeit doch anders aus.

Steht ein neuer Wandel bevor?

Dass China die mit weitem Abstand größte Stahlmacht des Planeten ist, lässt sich durch einen Blick auf die oben vorhandene Grafik sehen – mehr als 800 Millionen Tonnen Stahl sind weniger ein Wert als ein politisches Statement. Erst recht, wenn der Zweitplatzierte „gerade einmal“ gut 100 Millionen Tonnen herstellt. Dadurch zeigt sich auch, dass Stahl nach wie vor eine nicht zu unterschätzende machtpolitische Komponente besitzt.

Allerdings ist die reine Masse nur eines. Etwas anderes sind die unterschiedlichen Güteklassen. Hier hatte sich seit etwa der Jahrtausendwende ein gewisser geopolitischer Konsens eingestellt: China sowie die anderen aufstrebenden Stahlgiganten fokussierten sich auf simplere Massenstähle. Vor allem Europa und hier speziell Deutschland wandelten ihre Kapazitäten dagegen in Richtung Klasse: Stähle ausnehmend hoher Güte, die zwar nicht in großen Mengen nachgefragt werden, aber dennoch für zahlreiche Anwendungen unverzichtbar sind.

Hier konnten die „alten“ Stahlnationen ihre enorme Erfahrung in die Waagschale werfen. Aktuell allerdings ist nicht von der Hand zu weisen, dass China auch auf diesem Gebiet aufholt. Seit 2019 plant das Land eine Qualitätsoffensive; hochwertiger Stahl ist eine der Säulen für den 14. Fünfjahresplan von 2021 bis -25.

Viele Experten sehen deshalb für die kommenden Jahre einen weiteren Wandel anbrechen, der die europäische Stahlproduktion einmal mehr zwingt, sich dieser Übermacht anzupassen, um nicht überrollt zu werden; eine Nische zu finden, um weiterhin bedeutsam zu sein. Dafür allerdings stehen die Chancen ausnehmend gut, denn:

Stahl geht auch klimaneutral

Wir erinnern uns kurz an den Herstellungsprozess von Stahl: 

Hohe Energiemengen, um das Eisen einzuschmelzen bzw. die weiteren Produkte zu erhitzen. 

Die Verwendung von Koks, um den Sauerstoffgehalt in der Schmelze zu reduzieren und somit überhaupt erst die Stahlherstellung zu ermöglichen.

Die derzeit vielversprechendste ist der Einsatz von Wasserstoff – was derzeit unter anderem von der Salzgitter AG und ThyssenKrupp in Pilotprojekten erprobt wird.

Bei dieser Methode wird kein flüssiges Roheisen gewonnen, sondern Eisenschwamm. Dabei wird Wasserstoff eingeblasen. Dieses enorm reaktionsfreudige Element reagiert dann mit dem Sauerstoff im Eisenoxid, entzieht ihn. Als Abfallprodukt entsteht nur H2O, also Wasser, in diesem Fall als Dampf.

Auch der Wasserstoff kann über Elektrolyse mit grünem Strom klimaneutral produziert werden. Die Schwierigkeit liegt jedoch darin, dass Wasserstoff auch explosionsgefährlich ist. Daher können bestehende Öfen nicht einfach umgerüstet werden. Erst ist es nötig, im Testbetrieb Erfahrungen zu sammeln, damit die Reduktion dort geschieht, wo gleichzeitig keine Detonationsgefahr besteht.

Selbst wenn ein solcher Hochofen dennoch konventionell – also mit Koks – beheizt wird, würde sein CO2-Ausstoß um ein Drittel verringert. ThyssenKrupp hat sich für einen gänzlich klimaneutralen Hochofen das Jahr 2050 als Ziel gegeben.

Substitute – viel, aber nicht alles

Allein Kunststoffe haben in den vergangenen Jahren eine dramatische Entwicklung mitgemacht. Zählt man noch andere Metalle oder beispielsweise auch Kohlefaserwerkstoffe hinzu, gibt es bereits heute diverse Möglichkeiten, Stahl zu ersetzen.

Allerdings zeigt sich gerade beim Kunststoff, warum sich der Werkstoff niemals ersetzen lassen wird: Um aus Erdöl Kunststoffe zu machen, sind energieintensive Prozesse nötig – zumal die Menschheit generell das Erdölzeitalter beenden möchte; auch weil es immer schwieriger wird, Lagerstätten auszubeuten.

Ganz gleich, auf welches andere Ersatzmaterial man auch blickt, immer hat es im Vergleich zu Stahl irgendeinen Nachteil – und seien es nur die Kosten. Angesichts dessen hat es nichts mit haltloser Wahrsagerei zu tun, wenn man behauptet, dass Stahl auch im Jahr 2121 noch dieselbe Rolle für die Welt spielen wird, die er heute innehat. Das gilt selbst in dem Fall, dass ein Gegenstand aus Stahl im Lauf der Zeit zu nichts weiter als einem Häufchen Rost wird – dabei handelt es sich um dasselbe Eisenoxid, welches auch im Eisenerz steckt, wodurch der Kreislauf nur durch Einsatz von genügend Hitze, einer Reduktion und der eventuellen Zugabe von Legierungsstoffen immer wieder und wieder neu gestartet werden kann.

Zusammenfassung und Fazit

Die Welt ist einen sehr weiten Weg gegangen, seitdem in der Antike erstmalig Eisen mit Holzkohle geglüht wurde und somit erstmals eine Frühform von Stahl entstand. Selbst wenn die große Masse von Verbrauchsstahl heute weder in Deutschland noch in Europa gefertigt wird, so ist die Uhr weder für den hiesigen Wirtschaftsstandort noch das Material abgelaufen. Denn gerade, weil Stahl sich theoretisch und praktisch „grün“ produzieren lässt und außerdem enorm vielfältig variiert werden kann, ist er genau der multifunktionale Werkstoff, der immer wieder gefordert wird. Wie die Zukunft aussieht, kann keiner voraussagen, aber sie wird höchstwahrscheinlich weiterhin mit Stahlstäben bewehrt und von Stahlbolzen zusammengehalten werden.

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