Wie beeinflusst die Schaumbildung in der Stahlproduktion die Prozessdynamik und Energieeffizienz?

In der Stahlproduktion, insbesondere im Prozess der Elektrostahlerzeugung (EAF), spielt die Schaumbildung eine zentrale Rolle. Schaumbildung im Schmelzprozess von Eisen ist nicht nur ein interessanter physikalischer Effekt, sondern auch ein Schlüsselfaktor für die Effizienz der Produktion. Der Schaum hat Einfluss auf die Wärmeübertragung, die Gasflüsse und die chemischen Reaktionen, die während des Schmelzens ablaufen. Gleichzeitig beeinflusst der Schaum die Energieaufnahme und -abgabe im Ofen, was direkte Auswirkungen auf die Betriebskosten und die Qualität des Endprodukts hat.

Der Schaum entsteht aufgrund der Gasbildung im Schmelzbad, wobei die Gasblasen in der flüssigen Schlacke aufsteigen und die Oberfläche des Ofens bedecken. Dies wird durch verschiedene Faktoren begünstigt, darunter die Temperatur, die chemische Zusammensetzung der Schlacke und die Gasinjektion. Eine stabile Schaumbildung reduziert den direkten Kontakt zwischen der Luft und dem Schmelzbad, wodurch Wärmeverluste minimiert werden und der Schmelzprozess effizienter wird.

Die Dynamik der Schaumbildung wird von verschiedenen Parametern beeinflusst, die mit der physikalischen Chemie der Schlacke und ihrer Viskosität zusammenhängen. In einem System aus CaO-FeO-SiO2 und anderen Schlackenbestandteilen wirkt sich die Viskosität direkt auf das Verhalten der Gasblasen aus. Höhere Viskosität führt zu einer stabileren Schaumbildung, da die Blasen langsamer aufsteigen und länger in der Schlacke verbleiben. Dies verlangsamt den Übergang von Gasblasen zur Ofenoberfläche, wodurch eine dickere Schaumdecke entsteht, die die Wärme besser speichert.

Dabei spielen auch die Gasinjektionsrate und die Art des eingesetzten Gases eine Rolle. In einer Reihe von Experimenten wurde gezeigt, dass durch die Steuerung der Gaszufuhr die Schaumbildung beeinflusst werden kann, was zu einer besseren Steuerung des Energieflusses und einer Reduktion der Emissionen führt. Laut einer Studie von Wu et al. (2000) ist es besonders wichtig, den richtigen Gasstrom zu wählen, um die Schaumbildung zu fördern und gleichzeitig eine übermäßige Gasbildung zu vermeiden, die den Prozess stören könnte.

Die chemische Zusammensetzung der Schlacke ist ebenfalls von Bedeutung. Schmelzen, die reich an Eisenoxid sind, haben eine andere Schaumbildungseigenschaft als solche, die mehr Siliziumdioxid oder Calciumoxid enthalten. So beeinflusst der FeO-Gehalt in der Schlacke das Verhalten der Blasen und die Viskosität der Flüssigkeit. Höhere FeO-Gehalte führen zu einer stärkeren Schaumbildung, was in vielen Fällen als vorteilhaft gilt, um die notwendige Wärme für den Schmelzprozess zu bewahren. Jedoch muss dabei die Gesamtkomposition der Schlacke immer berücksichtigt werden, um eine optimale Schaumbildung zu gewährleisten.

Ein weiterer wichtiger Aspekt ist die Wechselwirkung zwischen der flüssigen Schlacke und den Metallen im Schmelzbad. Insbesondere das Verhalten von Chrom und anderen Metallen während des Schmelzens führt zu zusätzlichen Komplikationen in der Schaumbildung. Studien wie die von Yokoyama et al. (1992) haben gezeigt, dass die Reduktion von Chromit durch Kohlenstoff und die dabei entstehenden Gase die Schaumbildung beeinflussen können. Dies ist besonders in der Stahlproduktion relevant, da es die Prozessdynamik und den Energieverbrauch erheblich beeinflussen kann.

Zusätzlich zur Förderung der Energieeffizienz hat die Schaumbildung in modernen Stahlschmelzöfen auch Auswirkungen auf die Produktqualität. Eine stabile Schaumdecke schützt nicht nur vor Wärmeverlust, sondern kann auch die Oberflächenqualität des produzierten Stahls verbessern, indem sie Verunreinigungen aus der Schmelze fernhält. Die Oberflächenrheologie des Schaums, seine Viskosität und Oberflächenspannung beeinflussen direkt die Bildung von Schlacken und die Trennung von flüssigem Metall und Schlacke.

Es gibt eine Vielzahl von Möglichkeiten, die Schaumbildung in der Praxis zu optimieren, wobei die Auswahl des richtigen Kohlenstoffes und die genaue Kontrolle der Gaszufuhr zwei der wichtigsten Faktoren sind. Moderne Forschung und Entwicklungen im Bereich der Schaumbildungstechnologien konzentrieren sich zunehmend auf nachhaltige und umweltfreundliche Methoden, wie die Verwendung von erneuerbaren Kohlenstoffquellen für die Gasinjektion, um die CO2-Emissionen zu minimieren und die Effizienz zu steigern.

Zu den weiteren relevanten Aspekten gehört die Untersuchung der Wechselwirkungen zwischen verschiedenen Materialien und deren Auswirkungen auf die Schaumstabilität. Beispielsweise wurden Fortschritte bei der Verwendung von Titanoxiden in der Schlacke erzielt, die die Schaumdynamik beeinflussen. Die Forschung von Xiang et al. (2020) hat gezeigt, dass der TiO2-Gehalt und die Alkalität der Schlacke wichtige Parameter sind, die die Schaumbildung fördern können. Solche wissenschaftlichen Ansätze zur Weiterentwicklung der Schmelzprozesse könnten die Zukunft der Stahlproduktion in Richtung einer nachhaltigeren und effizienteren Industrie lenken.

Wie funktioniert Post-Verbrennung im Stahlofen und warum ist sie entscheidend für Energieeinsparungen?

Die Post-Verbrennung (Post-Combustion, PC) ist ein Verfahren, das seit den frühen 1980er Jahren insbesondere im Sauerstoff-Blasstahlverfahren (BOF) und im Elektroofen (EAF) eingesetzt wird, um die Effizienz der Stahlherstellung zu erhöhen. Ihr Hauptzweck besteht darin, die unvollständig verbrannten Gase wie Kohlenmonoxid (CO) und Wasserstoff (H2), die bei der Entkarbonisierung und teilweise unvollständigen Verbrennung entstehen, vollständig zu oxidieren, bevor diese Gase das System verlassen. Dabei reagieren CO und H2 mit Sauerstoff zu CO2 und H2O, wodurch erhebliche Mengen an chemischer Energie freigesetzt werden:

CO(g) + 1/2 O2(g) → CO2(g)
H2(g) + 1/2 O2(g) → H2O(g)

Die Effizienz der Post-Verbrennung hängt stark von der richtigen Steuerung des Sauerstoffstroms ab. Eine niedrige Sauerstoffstrahlgeschwindigkeit wird empfohlen, um eine bessere Durchmischung mit den Gasen zu gewährleisten, Oxidation des Schrottes zu minimieren und das Rückprallen des Sauerstoffs von der Schrottoberfläche zu reduzieren. In Hochofenanlagen beträgt das spezifische Gasvolumen etwa 100 m³ pro Tonne Stahl bei Temperaturen zwischen 1220 und 1650 °C, wobei CO und CO2 die Hauptbestandteile sind.

Unterschiedliche Studien berichten über die CO-Emissionen in Elektroofenanlagen: Je nach eingesetztem Material variiert die CO-Menge von 0,3 bis 8,23 kg pro Tonne Stahl, wobei bei reinem Schrott geringere Mengen entstehen als bei 100 % Roheisen. Der CO-Gehalt im Abgas ist ein wichtiger Parameter, da er die Effizienz der Post-Verbrennung maßgeblich beeinflusst. Die Post-Verbrennung reduziert den CO-Anteil im Abgas auf unter 10 % und erhöht dadurch den Sauerstoffverbrauch auf bis zu 75 Nm³ pro Tonne.

Das Oxidieren von Kohlenstoff zu CO setzt nur einen Teil der potentiellen Wärme frei. Der größere Teil der Energie wird freigesetzt, wenn CO zu CO2 oxidiert wird. Theoretisch können so bis zu 75 kWh pro Tonne Stahl erzeugt werden, doch in der Praxis wird nur ein Teil dieser Energie effektiv zur Vorwärmung des Schrottes genutzt, während der Rest die wassergekühlten Panels belastet. Ohne Post-Verbrennung findet diese CO-zu-CO2-Reaktion erst in den Abgasleitungen statt, was deren thermische Belastung erhöht und zu schnellerem Verschleiß der Elektroden und oxidiertem Schrott führt.

Die Oxidation des Schrottes selbst trägt zur Energieeinsparung bei: Für jedes Prozent oxidierten Stahls werden etwa 12 kWh freigesetzt. Die chemische Energie der Post-Verbrennung verringert den elektrischen Energiebedarf um ungefähr 1 kWh pro Tonne. Gleichzeitig kann eine Verkürzung der Schmelzzeit („tap-to-tap time“) um nur eine Minute zu einer Einsparung von 2 bis 3 kWh je Tonne führen.

Für die Implementierung der Post-Verbrennung gibt es zwei Hauptansätze: Eine direkte Sauerstoffzufuhr mittels Lanzen, die über der Schmelzoberfläche injizieren, um Wärme direkt an die Flüssigmetallphase abzugeben, und eine indirekte Methode, bei der Sauerstoff sanft in die Schlacke geblasen wird. Letztere erfordert eine dicke Schlackeschicht, um Staubentwicklung zu vermeiden, und ermöglicht ebenfalls eine effizientere Wärmeübertragung an die Schmelze.

Das Maß für den Erfolg der Post-Verbrennung wird durch das Post-Combustion-Ratio (PCR) bestimmt, das das Verhältnis von CO2 zu CO im Abgas beschreibt. Ein PCR von 40 bis 80 % ist üblich, wobei 100 % nicht angestrebt wird, da ein gewisser CO-Gehalt notwendig ist, um die Verbrennung aufrechtzuerhalten und gleichzeitig die Bildung von Stickoxiden (NO) zu verringern. CO kann NO chemisch reduzieren, was die Bildung von saurem Regen durch Stickstoffoxide begrenzt.

Neben dem PCR ist die Wärmeübertragungseffizienz (HTE) entscheidend, welche beschreibt, wie viel der theoretisch erzeugten chemischen Energie tatsächlich in das System eingebracht wird. Eine HTE von 100 % wäre ideal, ist aber praktisch nicht erreichbar, da immer Energieverluste auftreten.

Es ist unerlässlich, dass der Leser begreift, dass Post-Verbrennung weit mehr als ein technisches Verfahren zur Energieeinsparung ist. Sie steht im Zentrum eines komplexen Zusammenspiels aus chemischen Reaktionen, thermischen Prozessen und mechanischen Einflüssen, die zusammen die Effizienz, Lebensdauer und Umweltverträglichkeit der Stahlerzeugung maßgeblich beeinflussen. Die Optimierung dieser Prozesse erfordert daher sowohl fundiertes theoretisches Wissen als auch praktische Erfahrung im Umgang mit variierenden Betriebsparametern und Materialien.

Wie beeinflussen Gasphasen die Schaumbildung in Schlackenprozessen?

Die Schaumhöhe von Schlacken spielt eine entscheidende Rolle bei verschiedenen Hochofenprozessen und bei der Beschleunigung von chemischen Reaktionen. Die experimentellen Daten zur Schaumhöhe, die aus 217 Schmelzvorgängen in einem 140-Tonnen-DC-EAF gewonnen wurden, zeigen interessante Muster. Die Schaumhöhe wurde dabei in Echtzeit mit einer Vibrationsmethode gemessen. Es stellte sich heraus, dass die Vorhersagen des Modells mit einem durchschnittlichen R²-Wert von 0,82 sehr zufriedenstellend sind. Ein Teil der Daten zeigt, dass in den ersten 25 Minuten nach Beginn des Schmelzvorgangs kein Schaum auftrat, die Höhe jedoch nach weiteren 25 Minuten auf etwa 10 cm anstieg und später, ab Minute 66 bis Minute 83, die Schaumhöhe auf 40 cm anstieg. Diese Werte deuten auf sehr schlechte Schaumbildungsbedingungen in der Mehrheit des Prozesses hin.

Wichtig ist, dass sich die Schaumdynamik bei niedrigen und hohen Gasströmungsgeschwindigkeiten unterscheidet. Bei niedrigen Gasgeschwindigkeiten bleibt der Schaum nach dem Stoppen des Gasstroms oft für eine gewisse Zeit stabil, während bei höheren Geschwindigkeiten der Schaum zusammenfällt, sobald der Gasstrom eingestellt wird. Dies ist eine bedeutende Erkenntnis, die den unterschiedlichen Charakter von Schäumen in Laborversuchen und industriellen Anwendungen erklärt. Zhu et al. berichteten, dass die meisten Laborergebnisse zu Schlackenschaumbildung unter Bedingungen mit niedrigen Gasgeschwindigkeiten (< 0,1 m/s) durchgeführt wurden, während die industrielle Praxis höhere Werte aufweist (0,1–0,7 m/s für EAFs und 0,3–3 m/s für Schmelzbäder).

Ein weiterer kritischer Punkt ist die Bestimmung der minimalen Gasströmungsgeschwindigkeit, die notwendig ist, um den Schaumprozess zu starten. Hong et al. fanden heraus, dass die Schlacke unter einem bestimmten Gasstrom nicht schäumte, wobei dieser kritische Gasstrom zwischen 3 und 7 Nml/s lag. Um diese Geschwindigkeit zu berechnen, wurde ein Modell entwickelt, das auf dem drift-flux Modell basiert. Das Modell hilft, den Übergang von einem nicht schäumenden Zustand zu einem vollständig entwickelten Schaumzustand vorherzusagen.

Ein weiterer Aspekt, der bei der Betrachtung der Schaumbildung in Schlackenprozessen berücksichtigt werden sollte, ist der chemische Einfluss des Gases auf die Schmelze. In vielen Fällen können chemische Reaktionen zwischen dem Gas und der Schlacke auftreten, die die Eigenschaften des Schaumhorizonts verändern und die Stabilität des Schaums beeinträchtigen können. Diese Wechselwirkungen müssen besonders in industriellen Anwendungen berücksichtigt werden, wo das Gas nicht nur als physikalischer Träger für die Schaumbildung dient, sondern auch als potenziell reaktiver Bestandteil.

Die Ergebnisse dieser Studien verdeutlichen, dass es eine Vielzahl von Faktoren gibt, die die Schaumbildung in Schlacken beeinflussen können. Es ist notwendig, diese Variablen genau zu verstehen und in den entsprechenden Modellen zu berücksichtigen, um optimale Bedingungen für den Schmelzprozess zu schaffen. In der Praxis wird die Einstellung des Gasstroms sowie die Auswahl der Gasphase oft nach den spezifischen Anforderungen des Prozesses optimiert. Dabei ist es entscheidend, dass die Gasströmungsgeschwindigkeit und die Zusammensetzung des Gases sorgfältig gewählt werden, um eine stabile Schaumhöhe zu gewährleisten und die Effizienz des Prozesses zu maximieren.