Die Einführung elektromagnetischer Rührtechnik (EMS) im Elektroofen (EAF) hat die Effizienz und Produktivität von Stahlwerken erheblich gesteigert. Die erste EMS-Installation in den USA, wie von Walther beschrieben [110], zeigte, dass der Energieverbrauch auf 10 kWh/Tonne gesenkt werden konnte, während eine Vielzahl technischer Vorteile beobachtet wurde. Zu diesen gehören eine vernachlässigbare thermische Schichtung, eine erhöhte Schmelzrate, niedrigerer gelöster Sauerstoffgehalt und verbesserte Entschlammung. Diese Vorteile führten nicht nur zu einer höheren Effizienz im Betrieb, sondern auch zu sichereren Betriebsbedingungen, die die Arbeitsmoral verbesserten. Die Weiterentwicklung der EMS-Technologie hat in den letzten Jahren zahlreiche Fortschritte erzielt.

Widlund et al. [111] berichteten, dass durch mathematische Modellierungen die Geschwindigkeit des flüssigen Metalls in einem EAF mit elektromagnetischer Rührung zehnmal schneller wird als bei natürlicher Konvektion. Diese Steigerung der Geschwindigkeit hat signifikante Auswirkungen auf die Homogenität der Temperatur und die Reaktionsraten innerhalb des Ofens. Das Ergebnis ist eine schnellere Schmelze und eine effizientere Wärmeübertragung. Ähnliche Ergebnisse wurden von Arzpeyma et al. erzielt, die eine vierfache Erhöhung des Wärmeübertragungskoeffizienten bei Anwendung von EMS berichteten [112].

Teng et al. [108, 113–115] fassten die neuesten Entwicklungen bei der elektromagnetischen Rührtechnik zusammen, insbesondere in Bezug auf Verbesserungen durch ABB. In einem 90-Tonnen AC-EAF wurden zahlreiche Vorteile dokumentiert, darunter eine höhere Lichtbogenleistung, eine geringe thermische Schichtung (ca. 5 °C), eine verringerte Superheizung, eine gesteigerte Schmelzrate und eine Reduktion des Energieverbrauchs um etwa 14 kWh/Tonne. Zusätzlich wurde ein niedrigerer Elektrodenverschleiß und eine verbesserte Karbonisierungsrate von 0,03 auf 0,06 %C/min beobachtet.

In der Edelstahlproduktion konnten durch EMS ungelöste FeCr-Probleme am Boden des Ofens gelöst werden. Durch die höhere Rührintensität wurde auch der Gehalt an Cr2O3 um 3 % reduziert, was die Energieverbrauch um 26 kWh/Tonne senkte. Die Ausrichtung des Magnetfelds und die Intensität des Stroms wurden in verschiedenen Ofenmodellen untersucht, was zu weiteren Erkenntnissen über die optimale Ausrichtung und die Auswirkungen auf die Schmelzrate führten. Insbesondere wurde festgestellt, dass die Schmelzrate bei einer kontinuierlichen Zufuhr von Schrottmaterial verbessert wird, wenn das Magnetfeld in diese Richtung ausgerichtet ist.

Zusätzlich untersuchten de Santis et al. [118] in Wasser-Modellen die Mischzeiten mit und ohne EMS und stellten fest, dass EMS zu einer signifikanten Verkürzung der Mischzeit führte. Während die Mischzeit ohne EMS bei 260 Sekunden lag, konnte diese mit EMS auf nur 62 Sekunden reduziert werden.

In einem weiteren Vergleich von EMS mit der Bottom Gas Injection (BGI) stellte sich heraus, dass EMS eine kürzere Mischzeit aufwies. Bei EMS lag die Mischzeit bei 155 Sekunden, während BGI mit 240 Sekunden deutlich langsamer war. Trotz der Vorteile von BGI in Bezug auf die Gaszirkulation bleibt EMS aufgrund seiner intensiveren und gleichmäßigeren Rührwirkung überlegen, insbesondere bei der Entfernung von nicht-metallischen Einschlüssen.

Ein umfassender Vergleich der technischen Vorteile von EMS und BGI zeigte signifikante Effizienzsteigerungen bei der EAF-Operation. Unter anderem wurden Einsparungen im Energieverbrauch, eine gesteigerte metallische Ausbeute und eine reduzierte Leistungseintragungszeit dokumentiert. Frühere Studien, wie die von Fagionato et al. [120] und Schade [121], wiesen darauf hin, dass der Einsatz von BGI zu einer Reduzierung des Energieverbrauchs um bis zu 25 kWh/Tonne führte.

Der konventionelle EAF hat im Vergleich zur EMS-Technologie eine sehr geringe Rührintensität, was zu einer schwachen Durchmischung und einer thermischen Schichtung führt. Diese Limitationen sind besonders problematisch, wenn versucht wird, den Anteil des EAF an der globalen Stahlproduktion zu erhöhen. Der Einsatz von EMS und BGI hat daher zu einer erheblichen Verbesserung des gesamten Stahlherstellungsprozesses beigetragen, indem sie die Geschwindigkeit des flüssigen Stahls erhöht, tote Zonen verringert, die Karbonisierungsrate steigert, den Schmelzprozess beschleunigt und den Energieverbrauch senkt.

Trotz der zahlreichen Fortschritte bleibt die fundamentale Kenntnis der Hydrodynamik und der Reaktionsraten unter turbulenten Bedingungen ein wichtiges Forschungsgebiet. Es ist von entscheidender Bedeutung, die Auswirkungen der Ofenabmessungen und der Schichteigenschaften des Slags in zukünftige Studien zu integrieren, um die optimalen Betriebsbedingungen für EAF-Rührtechniken noch weiter zu verbessern.

Wie die Nutzung von chemischer Energie den Energieverbrauch im Elektrostahlofen reduziert

Die Nutzung chemischer Energie in der Stahlproduktion, speziell im Elektrostahlofen (EAF), ist ein Schlüssel zur Optimierung der Energieeffizienz und Reduktion des Verbrauchs von elektrischer Energie. Der Elektrostahlofen selbst arbeitet traditionell mit Elektrizität, um den Schrott zu schmelzen. Ein alternatives Verfahren, das immer häufiger zum Einsatz kommt, ist die Integration von Brennern, die chemische Energie bereitstellen, was den Stromverbrauch reduziert und gleichzeitig die Produktionskosten senkt.

Der Prozess der Schrottschmelze im EAF kann durch den gezielten Einsatz von Brennern mit Sauerstoff- und Brennstoffinjektionen optimiert werden. Diese Brenner erhöhen die chemische Energiezufuhr und verringern so den Bedarf an elektrischer Energie. Verschiedene Untersuchungen haben gezeigt, dass Brenner nicht nur den Energieverbrauch verringern, sondern auch den Schmelzprozess effizienter machen können. Beispielsweise wurde in einer Studie festgestellt, dass durch den Einsatz von Brennern der Stromverbrauch von 427 auf 392 kWh/ton gesenkt wurde, was einer Einsparung von etwa 6,3% entspricht. Darüber hinaus ist die Anzahl der Brenner, die in einem EAF verwendet werden, ein entscheidender Faktor. Eine Erhöhung der Brennerzahl, wie sie in einigen modernen Anlagen zu beobachten ist, kann den Energieverbrauch erheblich reduzieren und gleichzeitig die Schmelzgeschwindigkeit erhöhen.

Ein weiteres Beispiel für den Einsatz chemischer Energie findet sich im Oxy-Fuel-Drehofen. Dieser Ofentyp, der in der Gießereiindustrie verwendet wird, nutzt ein Gemisch aus Sauerstoff und Brennstoff, um den Schrott zu schmelzen. Der Sauerstoff/Brennstoff-Verhältnis wird dabei oft drastisch erhöht, was zu einer signifikanten Reduktion des Gasverbrauchs und einer Erhöhung der Schmelzgeschwindigkeit führt. Bei einem solchen Ofen wurde der Sauerstofffluss von 130 auf 133 Nm³/ton und der natürliche Gasverbrauch von 70 auf 38 Nm³/ton reduziert, während die Kohlenstoffzugabe verdoppelt wurde, was den Gesamtenergieverbrauch optimierte.

Trotz dieser positiven Ergebnisse gibt es Einschränkungen bei der vollständigen Substitution von elektrischer Energie durch chemische Energie im EAF. Zum einen sind die Produktionsraten mit rein chemischer Energie deutlich niedriger. Ein typischer EAF mit einer Kapazität von 100 Tonnen pro Stunde kann bei Verwendung von Elektrizität diese Rate problemlos erreichen. Bei der Nutzung von Brennern im Oxy-Fuel-Drehofen wird jedoch nur eine Produktionsrate von weniger als 50 Tonnen pro Stunde erzielt. Dies liegt an der geringeren Energiedichte von Gasen im Vergleich zu Elektrizität, was eine längere Zeit und mehr Raum für die Übertragung der Energie erfordert.

Ein weiterer praktischer Aspekt betrifft die begrenzte Fähigkeit des EAF, hohe Sauerstoffströme zu injizieren. Das Hinzufügen von Sauerstoff in großen Mengen kann zu Problemen wie Spritzern führen, die den Schmelzprozess stören. Auch die Abgasabsaugung muss für die höheren Gasvolumen und die zusätzliche Wärmebelastung ausgelegt werden, was zusätzliche Investitionen in die Infrastruktur erfordert.

Ein weiteres Hindernis ist die Komplexität der Ausrüstung. Die Brenner arbeiten nicht nur als Sauerstoffinjektoren, sondern auch als Nachverbrenner, was die Energieeinsparung schwieriger quantifizierbar macht. Eine detaillierte Analyse, wie viel elektrische Energie durch die chemische Energie ersetzt wird, erfordert eine genaue Betrachtung der jeweiligen Funktionsweise der Brenner. Für eine präzise Berechnung der Energieeinsparungen müssen die thermodynamischen Parameter wie der Heizwert des verwendeten Brennstoffs, die Brennereffizienz und die elektrische Effizienz berücksichtigt werden.

Es ist jedoch von großer Bedeutung, die ökonomischen Aspekte zu betrachten, da die Nutzung von chemischer Energie oft durch den Preisdifferential zwischen Elektrizität und Brennstoffen beeinflusst wird. In Regionen, in denen die Strompreise höher sind als die Kosten für Erdgas, kann der Einsatz von Brennern eine kosteneffiziente Lösung darstellen. Dies erklärt, warum viele moderne Stahlwerke den Einsatz von Brennstoffen intensivieren, um Kosten zu senken und gleichzeitig die Effizienz zu steigern.

Neben der rein technischen Betrachtung der Brennstoffnutzung sollten auch die Umweltauswirkungen nicht außer Acht gelassen werden. Der Übergang von elektrischer zu chemischer Energie im EAF hat das Potenzial, die CO2-Emissionen signifikant zu reduzieren, besonders wenn natürliche Gase oder andere sauberere Brennstoffe verwendet werden. Hier spielen die Betriebsstrategie und die Auswahl der Brennstoffe eine wichtige Rolle in der Gesamtbilanz der Emissionen des Werkes.

Die richtigen Anwendungsstrategien, die Auswahl der Brennstofftypen, die Anpassung der Brennertechnik sowie die Optimierung der Betriebsbedingungen sind ausschlaggebend für den Erfolg der Integration chemischer Energie in den EAF-Prozess. Die kontinuierliche Forschung und Entwicklung auf diesem Gebiet wird entscheidend sein, um den Energieverbrauch weiter zu reduzieren und gleichzeitig die Produktionskapazitäten und die Umweltverträglichkeit zu verbessern.

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