Wie Bottom-Gas-Rühren die Mischeffizienz im Elektrostahlofen beeinflusst

Die Technik des Bottom-Gas-Rührens hat sich als eine Schlüsselkomponente in der Optimierung des Mischvorgangs im Elektrostahlofen (EAF) erwiesen. Die Effektivität dieses Verfahrens hängt maßgeblich von der Gasstromrate sowie der geotechnischen Anordnung der Porenstecker ab. Es wurde eine Vielzahl von Studien durchgeführt, die versuchten, die optimalen Parameter für das Bottom-Gas-Rühren zu ermitteln, doch die Ergebnisse sind nach wie vor nicht einheitlich. Dies ist zum Teil darauf zurückzuführen, dass die Experimente unterschiedliche Variablen berücksichtigen, wie etwa den Durchmesser des Ofens, die Höhe der flüssigen Stahlmenge und die verwendeten Gasströmungsraten.

Die genauen Anordnungen von Gasinjektoren variieren von Studie zu Studie erheblich. Einige Untersuchungen empfehlen eine zentrale Gasinjektion, während andere radiale Positionen bevorzugen. Interessanterweise zeigen die besten Layouts für Elektrostahlöfen oft große Unterschiede, je nach den spezifischen experimentellen Bedingungen, wie zum Beispiel dem Vorhandensein eines elektrischen Bogenofens (EBT). Diese Unterschiede verdeutlichen die Komplexität der optimalen Designwahl, da die Strömungsverhältnisse zwischen verschiedenen Ofentypen (z.B. Ladungen vs. EAF) stark variieren können.

Es wurde auch festgestellt, dass die physikalischen Eigenschaften des Stahls – wie die Viskosität und die chemische Zusammensetzung – einen erheblichen Einfluss auf die Strömungsverhältnisse haben können. In einer Untersuchung von Hu et al. [80] wurde der Effekt einer hohen Kohlenstoffkonzentration im Stahl und deren Einfluss auf die Viskosität untersucht. Ein Anstieg der Viskosität bewirkte eine Verringerung der Geschwindigkeit der Flüssigkeitsströmung. Dies zeigt, wie empfindlich das System auf Veränderungen in der chemischen Zusammensetzung reagiert und wie wichtig es ist, diese Variablen bei der Optimierung von Gasströmen zu berücksichtigen.

Ein weiteres wichtiges Element bei der Gasinjektion ist die Anzahl der Porenstecker und deren spezifische Platzierung. In verschiedenen Untersuchungen wurden unterschiedliche Zahlen von Porensteckern vorgeschlagen, die in Bereichen von drei bis fünf variieren. Diese Variationen spiegeln sich auch in den unterschiedlichen Gasströmungsraten wider, die von 25 Nl/min bis zu 400 Nl/min reichen können. Es wurde festgestellt, dass mit zunehmender Anzahl von Porensteckern die Effizienz des Mischvorgangs in großen Öfen tendenziell steigt, jedoch auch der Energieverbrauch und die Komplexität des Systems zunehmen.

Es ist jedoch zu beachten, dass die Wechselwirkungen zwischen Gasströmung, Geometrie des Ofens und den physikalischen Eigenschaften des Stahls noch nicht vollständig verstanden sind. Viele der oben genannten Studien berücksichtigen nicht alle relevanten Parameter gleichzeitig, was zu einer Vielzahl von Ergebnissen führt. Beispielsweise wurden einige Tests an kleineren Modellen durchgeführt, die die tatsächlichen Bedingungen in großen Industrieöfen möglicherweise nicht genau widerspiegeln.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Verbesserung des Bottom-Gas-Rührens eine sorgfältige Berücksichtigung der Vielzahl von Variablen erfordert. Eine Optimierung der Gasinjektion kann die Effizienz des Mischvorgangs erheblich steigern, doch die Auswahl der optimalen Parameter ist von einer Vielzahl von Faktoren abhängig. Die Ergebnisse aus verschiedenen Studien zeigen eine große Variabilität, was die Komplexität des Prozesses unterstreicht und die Notwendigkeit für genauere und umfassendere Untersuchungen aufzeigt.

Es ist auch wichtig zu verstehen, dass die Optimierung des Bottom-Gas-Rührens nicht nur die Mischzeiten verbessert, sondern auch Auswirkungen auf die Wärmeverteilung und die Homogenität des Schmelzprozesses hat. Dies kann langfristig zu einer besseren Produktqualität und einer effizienteren Nutzung von Energie und Ressourcen führen.

Wie beeinflusst die Nachverbrennung die Wärmeübertragung im Lichtbogenofen?

Die Nachverbrennung im Elektrolichtbogenofen (EAF) hat sich als ein zentraler Prozess für die Steigerung der Energieeffizienz etabliert. Ursprünglich aus dem Sauerstoffaufblasverfahren (BOF) abgeleitet, wurde die Nachverbrennung in den EAF übertragen, um die chemische Energie der Reaktionsgase CO und H₂ zurückzugewinnen. Verschiedene numerische Studien und CFD-Modelle haben diesen Mechanismus umfassend untersucht und liefern wertvolle Einblicke in die Wirkungsweise und Optimierungsmöglichkeiten.

Die Modellierung von Tang et al., basierend auf dem Eddy Dissipation-Modell und Strahlungsberechnungen mit dem Discrete Ordinates (DO)-Modell, unterstreicht die Bedeutung der Strahlung bei der Wärmeübertragung. Die chemischen Reaktionen und ihre kinetischen Parameter zeigen deutlich, wie hochaktiv die Oxidation von CO zu CO₂ unter den gegebenen Bedingungen ist. Die Resultate zeigen eine Erhöhung der Ofentemperatur um etwa 19 %, von 1300 auf 1600 °C, bei einer Erhöhung des O₂-Flusses auf 1,38 kg/s. Der Temperaturanstieg betrifft nicht nur die Schmelze, sondern auch die Abgastemperaturen, die von 1050 auf 1260 °C steigen. Diese Erhöhung ist Ausdruck der intensiveren Wärmeerzeugung in der freien Gasphase.

Arzpeyma et al. untersuchten die Nachverbrennung unter Verwendung von Brennern mit seitlichen O₂-Auslässen. Die Anordnung ermöglichte eine symmetrische Verteilung des sekundären Sauerstoffs. Die Studien zeigten, dass eine Erhöhung des sekundären O₂-Flusses um 70 % zu einem Anstieg der PCR von 0,58 auf 0,68 führte. Dies entspricht einer signifikanten Verbesserung der chemischen Energienutzung. Die vertikale Einspritzung mit 40° Winkel erwies sich dabei als besonders effektiv.

Yigit et al. kombinierten O₂- und Kohleeinspritzung bei drei Lanzen, mit dem Ziel, sowohl die Verbrennung als auch die Strahlungswärme effizient zu maximieren. Die Strahlung dominierte den Energiefluss mit über 100 MW, wobei rund 91 MW auf Dach und Wände abgegeben wurden. Nur ein kleiner Teil gelangte zur Metallschlacke-Oberfläche (8,9 MW) und ein noch geringerer Anteil ins Abgas (2,34 MW). Die Konvektion spielte mit nur 1,2 MW eine untergeordnete Rolle. Damit wurde eindeutig belegt, dass Strahlung im EAF der primäre Mechanismus der Wärmeübertragung ist.

Coskun et al. fokussierten sich auf die Geometrie der Lanzen und untersuchten den Einfluss von Einspritzwinkel, Trennwinkel und Lanzenlänge. Besonders effektiv erwiesen sich vertikale Einspritzwinkel zwischen −35° und −45°, mit einem Trennwinkel von 70° und einer Lanzenlänge um 514 mm. Die optimale Anordnung befand sich rund 1,07 m oberhalb der Schmelze. Die Geschwindigkeit des Sauerstoffstrahls lag bei 137 m/s. Die Untersuchungen zeigten, dass die Positionierung der Lanze und die daraus resultierende Strömungsstruktur wesentlichen Einfluss auf die Effizienz der Wärmeübertragung zur Schmelze hat.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Gestaltung der Sauerstoffeinblasung – insbesondere Anzahl, Winkel und Position der Lanze – sowie die kontrollierte CO- und O₂-Zufuhr entscheidend für eine effiziente Nachverbrennung sind. Die strahlungsdominierte Wärmeübertragung verlangt gezielte Maßnahmen zur Maximierung der Wärmeaufnahme durch das Bad und die Minimierung von Wärmeverlusten an die Ofenwände. Zusätzlich sind auch strömungsmechanische Totzonen, in denen CO-Konzentrationen stagnieren, gezielt zu vermeiden, da sie die Reaktionsrate und Energieeffizienz negativ beeinflussen.

Die Einbindung kohlenstoffhaltiger Partikel unterstützt die Bildung von Schaumschlacke, was wiederum das Bad vor Strahlungsverlusten schützt und gleichzeitig durch CO-Bildung die Grundlage für effektive Nachverbrennung schafft. Die Ergebnisse zeigen, dass trotz identischer Energiezufuhr durch die Elektroden der Gesamtenergieeintrag durch chemische Reaktionen erheblich gesteigert werden kann. Für den industriellen Betrieb bedeutet dies: Durch präzise Steuerung der Nachverbrennung können signifikante Energieeinsparungen erzielt, Emissionen reduziert und die Ofenlebensdauer verlängert werden.

Was sind die Grundlagen der Schaumaufschäumung und -verringerung in industriellen Prozessen?

Die Schaumdynamik spielt in vielen industriellen Prozessen eine wesentliche Rolle, sowohl in Bezug auf ihre Erzeugung als auch auf ihre kontrollierte Reduzierung. Eine der Hauptanwendungen dieser Forschung findet sich in der Stahlproduktion, insbesondere bei der Behandlung von Schlacken und der Reduzierung von Schaumbildung in Hochöfen und Konvertern. Es gibt verschiedene Mechanismen, die das Schäumen beeinflussen, sowie Methoden, um diese Phänomene zu steuern. Dabei kommen sowohl chemische als auch physikalische Ansätze zum Einsatz.

Die Grundlagen der Schaumbildung und -degradation lassen sich über Differentialgleichungen beschreiben, die die Höhe des Schaums in Abhängigkeit von der Zeit darstellen. Ein wichtiges Konzept dabei ist der „Foaming Index“, der das Wachstum des Schaums in Bezug auf die Luftstromrate und die Konzentration von Schaumreagenzien wie z.B. Tensiden angibt. Experimente, die die Schaumhöhe über die Zeit messen, zeigen die Abnahme des Schaums nach Erreichen eines bestimmten Maximums, was durch eine logarithmische Funktion beschrieben werden kann. Diese Funktion basiert auf zwei wesentlichen Parametern: der maximalen Schaumhöhe und der Halbwertszeit des Schaums. Eine typische Formel lautet:

Diese Beziehung zeigt, dass der Schaum nach einer bestimmten Zeit, der sogenannten Halbwertszeit, auf die Hälfte seiner maximalen Höhe sinkt. Es ist wichtig zu beachten, dass der Wert von $\alpha$ typischerweise zwischen 0,3 und 0,4 liegt. In praktischen Anwendungen erlaubt diese Formel, das Schaumverhalten unter verschiedenen Bedingungen vorherzusagen, was für die Prozessoptimierung entscheidend ist.

Ein weiterer bedeutender Bereich ist die Antischäumung, die in vielen industriellen Prozessen notwendig ist, da überschüssiges Schäumen zu Problemen wie Verstopfungen, Überläufen oder ineffizienter Verarbeitung führen kann. In der Stahlproduktion, speziell in der BOF-Technologie (Basic Oxygen Furnace), kann exzessives Schäumen, auch als „Slopping“ bekannt, gefährlich sein. Um dem entgegenzuwirken, wird häufig auf Substanzen zurückgegriffen, die die Oberflächenspannung des Schaums zerstören. Silikonverbindungen sind hier eine gängige Wahl, da sie eine geringe Oberflächenspannung aufweisen und somit die Schaumbildung verhindern können.

Darüber hinaus werden hydrophobe Partikel eingesetzt, um die Schaumstabilität zu verringern. Diese Partikel führen zu einem ungleichmäßigen Kapillar-Druck, wodurch die Entwässerungsrate des Schaums erhöht wird und der Schaum schneller kollabiert. Besonders effektiv sind Partikel mit scharfen Kanten, da diese den Kontaktwinkel des Luft/Wasser-Grenzflächenwechsels beeinflussen und die Schaumstabilität reduzieren. Der Kontaktwinkel muss jedoch je nach Partikelgeometrie angepasst werden. Sphärische Partikel erfordern einen Kontaktwinkel von mehr als 90°, während Partikel mit scharfen Kanten auch bei niedrigeren Winkeln wirksam sind.

Die Zugabe von Partikeln zur Schaumminderung ist jedoch nicht immer ohne Nachteile, da sie das System kontaminieren können. In Fällen, in denen dies problematisch ist, kommen mechanische Methoden wie Ultraschall zum Einsatz. Der Einsatz von Ultraschall zur Schaumkontrolle ist ein vielversprechender Ansatz, bei dem Schallwellen dazu verwendet werden, Blasen zu stimulieren und die Flüssigkeitsabfuhr zu fördern. Die optimale Ultraschallfrequenz hängt dabei direkt von der Blasengröße ab, wobei Frequenzen im Bereich von 400 Hz als besonders effektiv erwiesen haben.

Die Rolle von Schaum in der Stahlproduktion wurde erstmals 1959 von Joseph A. Kitchener eingehend untersucht. Kitchener, ein britischer Wissenschaftler, führte bahnbrechende Arbeiten im Bereich der Schaumdynamik durch und prägte die frühe Forschung zur Schaumstabilität. Er identifizierte die Herausforderungen bei der einfachen Beschreibung des Schaums, da zahlreiche Variablen und Messmethoden zu unterschiedlichen Ergebnissen führen. Weitere bedeutende Forscher, wie Paul Kozakevitch und die japanischen Wissenschaftler Shigeta Hara und Kazumi Ogino, trugen ebenfalls maßgeblich zur Weiterentwicklung der Theorien zur Schaumdynamik und deren Anwendungen bei.

Frühe Forschungsergebnisse aus den 1980er Jahren, insbesondere aus Japan, konzentrierten sich auf das Verständnis der Mechanismen der Schaumunterdrückung. Insbesondere in der Elektrostahlproduktion (EAF) wurde der Zusammenhang zwischen Schaumverhalten und den physikalischen Eigenschaften der Schlacke zunehmend wichtiger. Der heutige Stand der Forschung, einschließlich der Arbeiten von Richard J. Fruehan, hat das Verständnis für die Schaumdynamik weiter vertieft und dessen Anwendungen in verschiedenen Bereichen der Stahlproduktion erheblich erweitert.

Es ist wichtig zu verstehen, dass die Kontrolle und das Management von Schaum in industriellen Prozessen nicht nur eine Frage der Theorie, sondern auch der praktischen Umsetzung ist. Dabei spielen die Auswahl der richtigen Zusätze, die Anpassung von Prozessparametern und die mechanische Behandlung des Schaums eine entscheidende Rolle. Der Fortschritt in der Schaumforschung hat zu erheblichen Verbesserungen der Prozesssicherheit und -effizienz geführt und bleibt ein aktives und dynamisches Forschungsfeld.

Wie beeinflussen Oberflächenspannung und Viskosität die Schaumbildung in industriellen Prozessen?

Ein gutes Beispiel für solche Untersuchungen sind Experimente mit Wasser-Glycerin-Lösungen und verschiedenen Tensiden, die zur Schaumstabilisierung eingesetzt werden. Dabei wurde eine viskose Lösung, bestehend aus Wasser und Glycerin, genutzt, um die Oberflächenspannung und Viskosität zu messen. Die Schäumung selbst wurde durch die Injektion von Luft in eine Glas-Säule kontrolliert, wobei die Höhe des Schaums über einen Zeitraum von etwa einer Stunde beobachtet wurde. Die Ergebnisse zeigten, dass die Viskosität und die Oberflächenspannung der Lösung maßgeblich die Schaumhöhe beeinflussten. Speziell die Zugabe von Tensiden wie Natriumdodecylbenzenesulfonat (SDBS) wirkte sich direkt auf die Oberflächenspannung aus und erhöhte die Stabilität des Schaums.

Eine weitere interessante Beobachtung stammt von Experimenten mit Wasser-Ethanol-Lösungen, bei denen die Schäumung ohne Tenside nicht auftrat. Erst durch die Zugabe von Detergenzien, wie dem Kodak Photoflow 200, konnte ein stabiler Schaum gebildet werden. In diesen Versuchen wurde auch die Dynamik des Schäumens untersucht, wobei die Blasengröße und die Schaumhöhe in Abhängigkeit von der Gasgeschwindigkeit und der Lösungskonzentration beobachtet wurden. Besonders hervorzuheben ist, dass die Schaumhöhe eine Schwankung von etwa ± 15% zeigte, was auf die komplexe Natur der Schaumbildung hinweist.

Interessanterweise wurden auch Experimente mit schwereren Flüssigkeiten wie Silikonölen und Lösungen von Natron (Natriumbicarbonat) durchgeführt. In diesen Versuchen wurde eine Reaktion zwischen Natron und Oxalsäure (die CO₂ freisetzt) genutzt, um die Schaumbildung zu unterstützen. Die erzeugten Gase führten zur Bildung von Blasen im Öl, was wiederum eine signifikante Schaumhöhe erzeugte. Es wurde festgestellt, dass die Art der Flüssigkeit und ihre Dichte den Schaumprozess ebenfalls stark beeinflussen können.

Zusätzlich wurden Experimente durchgeführt, bei denen flüssige Phasen wie Öl mit einer wässrigen Lösung reagierten, die eine höhere Dichte als das Öl hatte. Die Reaktion führte zur Bildung einer Trennschicht, die die Blasenbildung an der Grenzfläche zwischen den beiden Flüssigkeiten begünstigte. Diese Experimentalanordnungen zeigten, dass das Verhalten der Phasengrenzen und die Wechselwirkungen zwischen den verschiedenen Flüssigkeiten entscheidend für den Erfolg der Schäumung sind.

Es ist auch wichtig zu verstehen, dass die Schaumdynamik in industriellen Prozessen nicht nur von der Viskosität und der Oberflächenspannung abhängt, sondern auch von der Temperatur, dem Gasdruck und der spezifischen Mischung der verwendeten Flüssigkeiten. Die Temperatur hat einen direkten Einfluss auf die Viskosität und die Oberflächenspannung, was wiederum die Blasenbildung und die Schaumhöhe beeinflusst. Untersuchungen an extrem niedrigen und hohen Temperaturen haben gezeigt, dass die Schäumung unter unterschiedlichen thermischen Bedingungen erheblich variieren kann.

Schließlich sollte man beachten, dass der Einsatz von Tensiden und anderen Zusatzstoffen nicht nur die Schaumhöhe und Stabilität beeinflusst, sondern auch die Umweltfreundlichkeit und die Kosten eines industriellen Prozesses. Die Auswahl des richtigen Tensids und die Konzentration der Lösung müssen daher immer im Hinblick auf die spezifischen Anforderungen des jeweiligen Prozesses und der gewünschten Schaumbildung optimiert werden.

Wie beeinflusst die chemische Zusammensetzung von Schlacken deren Schaumbildung?

Die Schaumbildung von Schlacken ist ein kritisches Phänomen in vielen industriellen Prozessen, insbesondere in der Metallurgie. Verschiedene Faktoren, einschließlich der chemischen Zusammensetzung der Schlacke, haben dabei einen maßgeblichen Einfluss auf das Verhalten des Schaums. Eine der Schlüsselfaktoren ist die Rolle von Siliziumdioxid (SiO₂), Phosphorpentoxid (P₂O₅) und der Basizität der Schlacke, die alle die Schaumhöhe und -stabilität beeinflussen.

Ein wichtiger Aspekt, der die Schaumbildung beeinflusst, ist die Viskosität der Schlacke. Es wurde gezeigt, dass SiO₂ die Viskosität der Schlacken stark erhöht. Dieser Zusammenhang wurde erstmals 1941 von Hellbrugge und Endell beschrieben, die feststellten, dass die Viskosität von Silikat-Schmelzen mit dem Grad der Polymerisation zunimmt. Siliziumdioxid hat eine besondere Bedeutung, da es die Stabilität des Schaumfilms verändert. In einem System aus Eisenoxid und SiO₂ zeigte eine Studie von Speith und Henrichs (1953), dass die Stabilität des Schaums bei einem SiO₂-Anteil von 60% am höchsten war, aber mit noch höheren Konzentrationen begann die Schaumhöhe wieder zu sinken, da die Schmelze zu zähflüssig wurde. Dies zeigt, dass eine moderate Konzentration von SiO₂ von Vorteil ist, während ein zu hoher Anteil die Schaumbildung hemmt.

Ein weiterer wichtiger Faktor ist die Basizität der Schlacke, die als das Verhältnis von basischen zu sauren Oxiden definiert wird. Eine Reihe von Studien, einschließlich der von Fellcht und Ludeman (1955), hat gezeigt, dass die Basizität der Schlacke einen signifikanten Einfluss auf die Schaumbildung hat. Schlacken mit höherem SiO₂-Anteil und einer höheren Oxidationsstufe tendieren eher zur Schaumbildung. Dies wurde durch die Messung von Schaumbildungseigenschaften in Verbindung mit der Basizität bestätigt, wobei sich herausstellte, dass eine höhere Basizität die Schaumhöhe bis zu einem bestimmten Punkt erhöht, ab dem die Schaumbildung aufgrund der erhöhten Viskosität wieder sinkt. Die Addition von Phosphorpentoxid hat sich als effektiv herausgestellt, um die Stabilität des Schaums insbesondere in sauren Schlacken zu verbessern.

Weitere Untersuchungen, insbesondere die von Cooper und Kitchener (1988), berichteten über die Auswirkungen der Basizität auf die Schaumstabilität in CaO-SiO₂-P₂O₅-Systemen. Sie fanden heraus, dass die Schaumstabilität in sauren Schlacken (niedrigere Basizität) besser ist, insbesondere wenn auch die Oberflächenspannung gesenkt wird. Die Zugabe von Phosphorpentoxid in geringen Mengen verstärkte diesen Effekt. In alkalischen Schlacken nahm jedoch der Schaumindex mit steigender Basizität ab, was darauf hindeutet, dass die Kombination von Basizität und chemischer Zusammensetzung die Stabilität des Schaums wesentlich beeinflusst.

Interessanterweise zeigen industrielle Versuche von Heo und Park (2017), dass bei einer Erhöhung der Basizität von etwa 1,0 auf 1,8 die Schaumhöhe signifikant abnimmt. Dies bestätigt die Theorie, dass die richtige Balance zwischen verschiedenen chemischen Komponenten notwendig ist, um die optimale Schaumbildung zu erzielen. Ein zu hoher Basizitätswert scheint die Schaumhöhe zu verringern, was auf eine erhöhte Viskosität und die Bildung von festen Partikeln hindeutet, die die Schaumbildung behindern.

Zusätzlich zur Basizität und den speziellen Oxiden wie P₂O₅ und SiO₂, kann auch der FeO-Gehalt die Schaumbildung beeinflussen. Es wurde gezeigt, dass FeO in Verbindung mit einer bestimmten Basizität die Schaumstabilität variieren kann, was durch Versuche in verschiedenen temperaturabhängigen Szenarien belegt wurde. Ein optimaler FeO-Gehalt scheint in vielen Fällen erforderlich zu sein, um eine effektive Schaumbildung zu gewährleisten.