100 Jahre bedeutend für die Stahlgewinnung: Das Siemens-Martin-Verfahren

100 Jahre bedeutend für die Stahlgewinnung: Das Siemens-Martin-Verfahren

Das Siemens-Martin-Verfahren, welches mittlerweile eine veraltete Technologie ist, war einst das bedeutendste Verfahren zur Stahlgewinnung und geht auf die Erfinder Siemens und Martin zurück.

Das ehemals innovative Verfahren wird den Herdfrischverfahren zugeordnet. Das Bestreben hinter dem Verfahren ist die Stahlgewinnung. Diese geschieht durch die Reinigung von Roheisen. Der mittels dem Verfahren gewonnene Stahl wird als Siemens-Martin-Stahl bezeichnet Der Siemens-Martin-Stahl zeichnet sich durch seine nahezu vollständige Anpassungsfähigkeit aus. Eine gleichmäßige Struktur des Stahls war bis dato nicht möglich. Durch die Elastizität und Dehnungsfähigkeit des Siemens-Martin-Stahls gelang aber genau das: eine gleichmäßige Struktur, die im wirtschaftlichen Alltag sehr geschätzt wurde wegen ihrer Effizienz.

In kürzester Zeit war der Siemens-Martin-Stahl führend in der Stahlindustrie und wurde, dank der preisgünstigen Herstellungsmethode und der hohen Nachfrage, in Massen produziert – er war ein ,,Running Hit’’. Mit 278 Millionen Tonnen Stahl erreichte das Verfahren 1965 die höchste Produktion weltweit.

Die Entstehung einer neuen Technologie

Doch wie kam es zu dem Technologiewunder? Die Brüder Carl Wilhelm und Friedrich Siemens experimentieren bereits mehrere Jahre lang daran wie sie effektiver Stahl gewinnen können. Friedrich Siemens war bei Carl Wilhelm im Unternehmen beschäftigt und erfand damals den Regenerativofen mit Gasbefeuerung. Als Friedrich Siemens 1856 das Patent für einen Regenerativofen anmeldete, ahnte er noch nicht, dass dies der erste Schritt war, der die Stahlindustrie bald maßgeblich verändern sollte. Zur gleichen Zeit, also 1856, gründete Friedrich Siemens eine Ofenbaufirma, die bald bekannt wurde als Friedrich Siemens Industrieofenbau.

Durch das Erhitzen von Gas und Luft im Ofen wurden höchste Temperaturen erreicht. Für die Stahlgewinnung reichte zu diesem Zeitpunkt allerdings die Temperaturhöhe nicht aus. Bei 1600 Grad, der maximal zu erreichenden Temperatur, ist der Stahl nicht geschmolzen. Das Potenzial des Regenerativofens wussten die Siemens Brüder trotzdem geschickt zu nutzen. Anstelle von Stahl, stellten sie Glas in dem Ofen her und wurden schnell zu den größten Glasherstellern Europas.

Der verzeichnete Erfolg von den Siemens Brüdern wurde bald auch in Frankreich bekannt und ging an Pierre und Emile Martin nicht vorbei. Emile Martin und sein Sohn waren Eigentümer einer kleinen Eisen- und Stahlhütte in Sireuil, gelegen in Westfrankreich. Sie interessierten sich so sehr für den Regenerativofen, so dass sie die Zeichnung des Ofens sowie die Lizenz von Siemens erwarben.

Vater und Sohn schafften das, was die Brüder Siemens nicht geschafft hatten. Die Martins konnten durch die Verwendung von temperaturbeständigen Steinen im Ofen die maximale Temperaturhöhe im Ofen steigern. Die zuvor maximale Temperatur von 1600 Grad wurde auf 1800 Grad gesteigert. Dies hatte bahnbrechende Folgen. Das erste Mal war es möglich, im Regenerativofen Stahl zu schmelzen. Eine weltweit neue Technologie war geboren.

Verfahrensweise:

Vor dem Siemens-Martin-Verfahren wurde Stahl in Tiegelöfen erzeugt. Das Verfahren ist daher eine Weiterentwicklung einer bereits bestehenden Möglichkeit, Stahl herzustellen. Um die Anpassungsfähigkeit des Stahls zu erzeugen, müssen höhere Temperaturen als in den zuvor verwendeten Tiegelöfen herrschen. Nur so konnte der Stahl geschmolzen werden und für den Massenmarkt tauglich werden. Um die Temperatur von 1800 Grad Celsius zu erreichen, wurden Generatorgase und Öle verwendet als Katalysatoren bzw. Brennstoffe.

Allein die Temperatur macht Roheisen aber natürlich nicht zu Stahl. Hierfür müssen Begleitelemente des Roheisens entfernt werden. Meist handelt sich dies um chemische Elemente wie Silizium, Phosphor, Mangan und Kohlenstoff. Entfernt werden die Begleitelemente durch den Vorgang des Frischens. Frischen ist eine Methode, um Begleitelemente wie Kohlenstoffanteile, mithilfe von Sauerstoff zu entfernen. Sauerstoff wird erzeugt durch die Zugabe von Roheisenerzen, Schrott oder Kalk. Besonders bekannt war der Siemens-Martin-Ofen übrigens genau dadurch: durch die Fähigkeit Roheisen und Schrott gleichzeitig schmelzen zu lassen.

Durch die Zugabe wird Sauerstoff an die Schmelze weitergeleitet, wodurch die Begleitelemente oxidiert werden und somit als Schlacke auf dem Stahl schwimmen oder als Gas entweichen. Der reine Stahl kann nun verwendet werden.

Dass die Gewinnung von Stahl beliebt war, zeigt sich auch in der Abstichmasse. Einst waren die Siemens-Martin-Öfen mit einer Abstichmasse, d.h mit einer Öffnung für die Herstellung von 10 Tonnen Stahl konzipiert worden. Durch die wirtschaftliche Massennutzung des Siemens-Martin-Verfahrens wurde die Abstichmasse in vereinzelten Ländern, wie z.B. den USA, auf 600 Tonnen ausgeweitet.

Trotz Massentauglichkeit der Stahlerzeugung handelte es sich nicht um eine Methode, die schnell ging. Insgesamt dauerte der technologische Ablauf bzw. der Schmelzprozess des Siemens-Martin-Verfahrens jeweils acht Stunden.

Zunächst dauerte es ca. 30 Minuten, um den Regenerativofen zu pflegen. Der Oberofen wurde hierbei torkretiert, d.h mit Spritzbeton verputzt und Reste aus dem Ofen wurden entfernt. Auch die Sauberhaltung des Gewölbes und die Überprüfung der Messtechnik waren in der Zeit der Ofenpflege inbegriffen. Nach der Pflege wurden zwei Stunden lang Einsätze und Zusätze für die Schlackebildung eingesetzt. Anschließend wurde der Einsatz für 3,5 Stunden verflüssigt durch das Verfahren des Einschmelzens. Weitere 1,5 Stunden wurden verwendet, um den Ofen vorzubereiten. Die Abstichtemperatur und die Abstichstichprobe wurden in diesem Zuge überprüft und ermittelt. Die letzten Minuten des technologischen Ablaufs dienten der Entziehung des Sauerstoffs, der Legierung von Elementen und der Durchführung eines Abstiches nach Erreichen der erforderlichen Temperatur.

Das Ende des Siemens-Martin-Verfahren

Bereits 1915 wurden 50 % aller Stahlerzeugnisse, die in diesem Jahr in Deutschland hergestellt wurden, durch das Siemens-Martin-Verfahren geschaffen. Das Verfahren weitete sich schnell weltweit aus und wurde ein Kassenschlager. 75 % der Stahl-Erzeugnisse weltweit sind in den 40er Jahren des 20. Jahrhunderts aus dem Siemens-Martin-Stahl erzeugt worden.

Um weiter wettbewerbsfähig zu sein und dem technologischen Fortschritt zu entsprechen, wurde 1967 der erste Siemens-Martin-Ofen XII in Betrieb genommen – eine Weiterentwicklung des ursprünglichen Siemens-Martin-Ofens. Unter anderem wurde die Herdfläche auf 83 erweitert und es wurde eine Vollölbeheizung eingebaut. Gleichzeitig wurde ein moderner Abgasschieber eingebaut. Die Siemens-Martin-Öfen XII zeichneten sich aus durch ihre hohen Leistungen trotz niedrigem Wärmeverbrauch. Zudem erleichterten sie durch ihre einfache Funktionsweise das körperliche Arbeiten. Dies ist unter anderem auf den hohen Mechanisierungsgrad bei Instandhaltungsarbeiten zurückzuführen und die kurzen Bauzeiten der Öfen. Durch die hohe Mechanisierungsfähigkeit der Öfen konnten auch Pflege- und Wartungsarbeiten für die Mitarbeiter erleichtert werden.

Auch mit dem Siemens-Martin-Ofen XII gelang eine Innovation. Um die Produktionsprozesse zu vereinfachen und zu optimieren, wurde der Einpfannenabstich eingebaut. Es war weltweit das erste Mal, dass der Einpfannenabstich in Öfen eingebaut wurde.

Bereits 1975 wurden alle zwölf Siemens-Martin-Öfen im Werk entsprechend der Funktionsweise des Siemens-Martin-Ofens XII umgerüstet. Ob sich das Umrüsten langfristig gelohnt hat, ist fraglich. Der Höhepunkt der Erfolgs-Ära der Öfen war bereits 1965 erreicht mit 278 Millionen Tonnen Stahl. In den folgenden Jahren gingen die Produktionszahlen Stück für Stück zurück. Trotz der Weiterentwicklung konnten die Siemens-Martin-Öfen den moderneren Technologien anderer Hersteller nicht mehr genügen. Die Stahlproduktion von Siemens und Martin war bereits 1985 in Westeuropa kaum noch vorhanden. Schließlich wurden die Stahlerzeugnisse auch in Osteuropa und China von anderen Verfahren abgelöst. Letztlich wurden die Öfen 1990 zurückgerüstet und die Produktion wurde eingestellt. Am 25.08.1994 wurden die Siemens-Martin-Öfen in das Verzeichnis der Denkmäler der Stadt Brandenburg eingetragen. In Westeuropa gab es zu diesem Zeitpunkt keine noch laufenden Siemens-Martin-Öfen mehr.

Die innovativen Öfen, die einst die Stahlproduktion auf der ganzen Welt geprägt haben, sind nun fester Bestandteil der Geschichte sowie Meilensteine der industriellen Entwicklung.

Mai 20, 2020 / von / in ,

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