mini|hochkant=1.5|Krupp-Hüttenwerke Rheinhausen Anfang des 20. Jahrhunderts mini|Stahlguss aus einer Gießpfanne Mitte des 20. Jahrhunderts Ziel der Stahlerzeugung ist es, aus Eisenerz und Roheisen eine Eisenlegierung mit bestimmtem Kohlenstoffgehalt (Stahl) mit innerer und oberflächlicher Reinheit herzustellen. Das Verfahren und der Kohlenstoffgehalt werden für die gewünschten Werkstoffeigenschaften, zum Beispiel Umformbarkeit, Härte oder auch Rostbeständigkeit, nach dem Gießen oder Schmieden angepasst. Den Wirtschaftszweig der Stahlerzeugung nennt man Stahlindustrie.

Ein Stahlwerk ist eine Fabrik in der Metallindustrie, die Stahl zumeist in Konvertern oder Lichtbogenöfen produziert. Die Mitarbeiter eines Stahlwerks werden Stahlwerker oder Stahlkocher genannt. Die eingesetzten Verfahren zählen zur Metallurgie.

Stahl wird zunehmend in integrierten Stahlwerken hergestellt, die die Roheisen- und Rohstahlherstellung (Primärmetallurgie), die Stahlproduktion (Sekundärmetallurgie) und die Halbzeug-Fabrikation in einem Werk integrieren, um Transporte, Energie und damit Kosten zu sparen.

Die Stahlerzeugung ist für ca. 25 % der Kohlendioxidemissionen im Industriesektor und ca. 8 % insgesamt verantwortlich. Um die globale Erwärmung abzuschwächen, verwendet oder erprobt die Stahlindustrie eine Reihe von Technologien zur Dekarbonisierung. Dazu gehören die Nutzung von Wasserstoff, die Kohlenstoffabscheidung und -wiederverwendung sowie der breitere Einsatz von Lichtbogenöfen, die mit erneuerbarer Energie betrieben werden können.

Geschichte Die frühe Verhüttung von Eisenerz ist bereits für das 2. Jahrtausend v. Chr. im damaligen Hethiter-Reich belegt, wo auch um die Mitte des 1. Jahrtausends v. Chr. einfache schmiedbare Eisenwerkstoffe und erstmals ein einfacher härtbarer Stahl hergestellt wurde.Friedrich Cornelius: Geistesgeschichte der Frühzeit. Band 1, Verlag Brill Archive, 1960, S. 132. Eisen verdrängte allmählich die zuvor genutzten Kupferwerkstoffe (Bronze), da es als Stahl härtbar und gleichzeitig zäher ist. Eisenerze waren nahezu überall zu finden, während die zur Bronze-Herstellung benötigten Metalle Kupfer und Zinn selten waren und nicht an denselben Orten vorkamen. Zur Eisengewinnung wurde Holzkohle benötigt, die aus Holz gewonnen werden konnte. Genutzt wurde Eisen vor allem für Waffen sowie für Werkzeuge, weniger in der Landwirtschaft oder als Schmuck.

Antike mini|Eiserne Waffen aus der Zeit der Völkerwanderung

In der Antike und im Mittelalter wurde das Erz in mit Holzkohle beheizten Rennöfen bei Temperaturen von etwa 1250 °C verhüttet. Die ersten Typen wurden ungefähr 1500 v. Chr. gebaut. Diese waren Lehmöfen, in die Holzkohle und Eisenerz schichtweise eingebracht wurden. Im Rennofen entstehen Temperaturen zwischen etwa 1200 und 1300 °C, die das taube Gestein aufschmelzen und als Schlacke ablaufen lassen. Die Schmelztemperatur von reinem Eisen (1539 °C) wird nicht erreicht. Das Eisenerz wandelt sich im Rennofen in halbfestes Eisen sowie in flüssige Schlacke um, die verschiedene unerwünschte Bestandteile der Erze enthält. Der Ofen wurde bodennah angestochen, sodass die Schlacke herausrinnen konnte. Daher stammt die Bezeichnung Rennofen, von rinnen.

Das Produkt (Eisenschwamm oder Luppe genannt) war poröses, festes Roheisen, das noch Schlackereste enthielt, die durch Schmieden entfernt wurden. Danach wurde es als Schmiedeeisen bezeichnet, das beinahe keinen Kohlenstoff enthielt und dem heutigen Stahl recht nahekam, aber auf einem anderen Weg gewonnen wurde und daher stärker mit Begleitelementen verunreinigt war. Aristoteles (384–322 v. Chr.) unterschied jedenfalls bereits in der Meteorologica das Roheisen vom Schmiedeeisen, das keine Schlackereste mehr enthält.Wolfgang König (Hrsg.): Propyläen Technikgeschichte. Band 3, Propyläen, Berlin 1997, S. 98 f.

Günter Spur: Vom Wandel der industriellen Welt durch Werkzeugmaschinen. Carl Hanser Verlag, München/Wien 1991, S. 49–51. Da das kohlenstoffarme Eisen für Werkzeuge und Waffen zu weich ist, wurde es auf Holzkohlen geglüht, wodurch es das Element Kohlenstoff vor allem in den Randschichten aufnahm und reduziert wurde. Auch das Härten durch Abschrecken in Wasser oder Öl war bekannt und wird von Plutarch (45–125 n. Chr.) korrekt durch das schnelle Abkühlen erklärt. Zuvor war Plinius der Ältere (23/24–79 n. Chr.) noch der Meinung, die Wasserqualität habe den entscheidenden Einfluss.Wolfgang König (Hrsg.): Propyläen Technikgeschichte. Band 3, Propyläen, Berlin 1997, S. 99 f. Der Name des gehärteten Eisens bzw. des Stahls war ; die Chalybes (Stahl-Leute) waren danach benannt.

Als neue Berufe entstanden Grob- und Feinschmiede, die nun Eisen nutzten, im Gegensatz zu den Kupferschmieden. Andere Schmiede spezialisierten sich auf bestimmte Produkte oder Produktgruppen. Dazu zählen der Werkzeug-, Messer-, Sichel-, Nagel-, Schwert-, Helm-, Lanzen- oder Pfeilschmied und Schlosser.Günter Spur: Vom Wandel der industriellen Welt durch Werkzeugmaschinen. Carl Hanser Verlag, München/Wien 1991, S. 57 f. In der Antike wurden die notwendigen Arbeiten häufig von Sklaven verrichtet.Alex R. Furger: Antike Stahlerzeugung. Ein Nachweis der Aufkohlung von Eisen aus Augusta Raurica. LIBRUM Publishers & Editors, Basel/Frankfurt am Main 2019, ISBN 978-3-906897-28-8.

Mittelalter mini|Frühmittelalterliche Rennofen-Schlacke (Fundstück) Zu Beginn des Mittelalters war die Arbeitsteilung noch wenig ausgeprägt. Grob- und Feinschmiede arbeiteten häufig in derselben Schmiede. Für die Landwirtschaft produzierte im Frühmittelalter das dörfliche Handwerk Sensen, Sicheln und Pflüge.Günter Spur: Vom Wandel der industriellen Welt durch Werkzeugmaschinen. Carl Hanser Verlag, München/Wien 1991, S. 67, 70 f., 77.

Wolfgang König (Hrsg.): Propyläen Technikgeschichte. Propyläen, Berlin 1997:

Band 1, S. 346–408, 419–435. Band 2, S. 76–107. Ab etwa dem 12. Jahrhundert wurden die Öfen nicht mehr in die Erde, sondern oberirdisch gebaut (Vorläufer der Hochöfen) und zusätzlich durch wassergetriebene Blasebälge mit Luft versorgt. Für die Stahlbearbeitung wurden Hammerwerke, die durch Wind- oder Wassermühlen angetrieben wurden, entwickelt.

Der Benediktinermönch Theophilus Presbyter beschrieb im 11. Jahrhundert das Härten von Feilen: Zunächst wurde Ochsenhorn verbrannt und mit Salz vermischt und über die Feilen gestreut, die dann im Ofen geglüht wurden. Anschließend wurden sie in Wasser abgeschreckt und im Ofen angelassen.Günter Spur: Vom Wandel der industriellen Welt durch Werkzeugmaschinen. Carl Hanser Verlag, München/Wien 1991, S. 68, 79–81.

Wolfgang König (Hrsg.): Propyläen Technikgeschichte. Propyläen, Berlin 1997, Band I, S. 423–425 (Damast), Band II 390 (Gusseisen). Draht wurde ursprünglich wie in der Antike gedreht und geschmiedet. Im Mittelalter ging man zum Drahtziehen mit Zieheisen über, um die großen Drahtmengen herzustellen, die vor allem für Ringpanzer („Kettenhemden“) benötigt wurden.Günter Spur: Vom Wandel der industriellen Welt durch Werkzeugmaschinen. Carl Hanser Verlag, München/Wien 1991, S. 69 f., 79–81.

Wolfgang König (Hrsg.): Propyläen Technikgeschichte. Band 2, Propyläen, Berlin 1997, S. 377, 391.

Im 14. Jahrhundert n. Chr. wurde in Europa der Holzkohle-Hochofen (Stückofen oder Wolfsofen) entwickelt. Er erreichte höhere Temperaturen und benötigte weniger Holzkohle. Das Eisenerz reagierte darin mit dem Kohlenstoff der Holzkohle. Die Hochofentemperatur lag dank des Kohlenstoffgehalts nun über der Schmelztemperatur, sodass erstmals flüssiges Roheisen entstand, das jedoch wegen des hohen Kohlenstoffgehalts von etwa 4 % nicht schmiedbar war. Es ähnelte dem heutigen Gusseisen und wurde auch in Formen gegossen. Um schmiedbares Eisen zu erhalten, wurde das Roheisen aus dem Hochofen nochmals im Frischfeuer geschmolzen. Die Eigenschaften des Eisens konnten gezielt durch Anlassen, Aufkohlen, Abschrecken und Glühen beeinflusst werden.

Frühe Neuzeit

Später war die Arbeitsteilung ähnlich wie in der Antike, wozu neue Berufe wie Huf-, Pfannen-, Pflug- und Zangenschmiede sowie Feilenhauer beitrugen.Günter Spur: Vom Wandel der industriellen Welt durch Werkzeugmaschinen. Carl Hanser Verlag, München/Wien 1991, S. 69, 85–88. Neben der beruflichen Arbeitsteilung gab es auch regionale Unterschiede. In der Gegend um Solingen lagen an Nebenläufen der Wupper zahlreiche durch Wassermühlen getriebene Hammerwerke, auf denen Klingen geschmiedet wurden. Die Schleifmühlen für die Klingen benötigten für die Fertigbearbeitung mehr Energie und lagen daher direkt an der Wupper. Diese getrennten Fertigungsstufen erforderten jedoch den Transport der geschmiedeten Klingen von den Nebenläufen bis zur Wupper, wodurch bis zu einer Wegstunde für den Transport aufgebracht werden musste.Beispiel Solingen: Günter Spur: Vom Wandel der industriellen Welt durch Werkzeugmaschinen. Carl Hanser Verlag, München/Wien 1991, S. 76.

Regionale Verteilung allgemein: Wolfgang König (Hrsg.): Propyläen Technikgeschichte. Band 1, Propyläen, Berlin 1997, S. 426.

Industrialisierung

mini|Schmied, Ölgemälde von Joseph Wright of Derby, 1772 Die Herstellung gebrauchsfähigen Eisens aus Erzen geschah in mehreren Schritten:Wolfgang König (Hrsg.): Propyläen Technikgeschichte. Band 3, Propyläen, Berlin 1997, S. 383.

Verhütten der Erze im Hochofen zu Roheisen, Frischen des Roheisens, um den Kohlenstoffgehalt zu reduzieren, und anschließend Ausschmieden und Walzen zu Stangen, Schienen oder Blechen.

Neu war die technische Umsetzung dieser Prozesse, die ab dem 18. Jahrhundert von Großbritannien ausgehend zunehmend auf Steinkohlebasis beruhte und daher Eisenwerkstoffe günstiger werden ließ und die Produktionsmengen erhöhte. Innerhalb der Produktionstechnik konnten Eisen oder Stahl nun als Konstruktionswerkstoff für WerkzeugmaschinenWolfgang König (Hrsg.): Propyläen Technikgeschichte. Band 3, Propyläen, Berlin 1997, S. 330. genutzt werden, die dadurch präziser und leistungsfähiger wurden.

Für die Verhüttung der Erze im Hochofen war es notwendig, dass das Erz mit Kohle in Berührung kam, da der Kohlenstoff für chemische Reaktionen benötigt wurde. Bei Holzkohle, die fast ausschließlich aus Kohlenstoff besteht, war dies kein Problem, die günstigere Steinkohle jedoch war stark mit Schwefel und anderen Elementen verunreinigt, die das Produkt schlechter werden ließen.Wolfgang König (Hrsg.): Propyläen Technikgeschichte. Band 3, Propyläen, Berlin 1997, S. 383 f., 397. Abraham Darby kam auf die Idee, Steinkohle zu verkoken. Als Hauptprodukt entstand dabei Koks, der für die Verhüttung der Erze genutzt werden konnte, als Nebenprodukt Teer. Als sich die Teergruben in der Nähe der Eisenhütten immer weiter füllten, wurden Chemiker darauf aufmerksam und fanden Methoden, daraus Teerfarben und Medikamente herzustellen.Gottfried Pumpe: Chemische Industrie. In: Ulrich Wengenroth (Hrsg.): Technik und Wirtschaft. (= Technik und Kultur. Band 8). VDI-Verlag, Düsseldorf 1993, S. 161–163. Ein deutlich niedrigerer Kohle-/Koksverbrauch war mit dem Heißluftblasen von James Beaumont Neilson möglich. Hierbei wurde die dem Hochofen zugeführte Luft erhitzt, was höhere Temperaturen zur Folge hatte und besseren Stahl lieferte.Günter Spur: Vom Wandel der industriellen Welt durch Werkzeugmaschinen. Carl Hanser Verlag, München/Wien 1991, S. 127–129.

Wolfgang König (Hrsg.): Propyläen Technikgeschichte. Band 3, Propyläen, Berlin 1997, S. 390–393, 395.

Für das Frischen mit Steinkohle gab es zwei verschiedene Methoden, um das Eisen vor dem Schwefel der Steinkohle abzuschirmen. Ab 1740 entwickelte Benjamin Huntsman den Tiegelgussstahl,Günter Spur: Vom Wandel der industriellen Welt durch Werkzeugmaschinen. Carl Hanser Verlag, München/Wien 1991, S. 129.