Das Vorwärmen von Schrott stellt eine entscheidende Maßnahme zur Erhöhung der Energieeffizienz und zur Reduzierung des Energieverbrauchs in Lichtbogenöfen (EAF) dar. Dabei ist der Einsatz fossiler Brennstoffe ebenso wie die Nutzung von Abgaswärme zur Vorerwärmung des Einsatzmaterials ein zentrales Thema in der aktuellen metallurgischen Forschung und industriellen Entwicklung.

Eine Reihe experimenteller und numerischer Studien zeigt, dass die Vorerwärmung durch Brenner sowohl thermodynamisch als auch wirtschaftlich optimierbar ist. Die Arbeiten von Mandal und Irons liefern hierzu einen bedeutenden Beitrag, indem sie nicht nur experimentelle Grundlagen legen, sondern auch präzise numerische Modelle zur Simulation des Wärmeeintrags in die Schrottcharge entwickeln. Diese Untersuchungen zeigen, dass eine gleichmäßige Erwärmung des Schrotts durch geeignete Brenneranordnung erreicht werden kann, was die Schmelzrate erhöht und die Ofenstandzeit verlängert.

Ein weiteres zentrales Element stellt die Nutzung der im Abgas enthaltenen Wärme dar. Offgase, die bei Temperaturen von über 1000 °C den Ofen verlassen, bieten ein enormes Potenzial zur Energierückgewinnung. Studien wie die von Toulouevski und Zinurov sowie Thekdi und Nimbalkar befassen sich mit der thermischen Nutzung dieser Abgase durch Wärmetauscher- und Rekuperatorsysteme. Dabei wird die im Abgas enthaltene Enthalpie entweder zur direkten Vorerwärmung des Schrotts oder zur Dampferzeugung für nachgelagerte Prozesse verwendet.

Technologisch besonders hervorzuheben sind Entwicklungen wie die Consteel- oder die SHARC-Technologie, bei denen der Schrott kontinuierlich durch einen Vorwärmkanal transportiert und dabei mit heißen Abgasen in Kontakt gebracht wird. Diese Systeme ermöglichen eine nahezu vollständige Nutzung der Abgasenthalpie zur Schrottvorwärmung. In Kombination mit einer Heißbadtechnik (hot heel) wird eine zusätzliche thermische Stabilität im Ofen erreicht, was die Energieeffizienz weiter erhöht.

Darüber hinaus spielen auch die chemischen Eigenschaften des Schrotts eine Rolle. Studien wie die von Tang et al. belegen, dass die Oxidation von Stahlschrott während der Vorerwärmung zu zusätzlichen Energieverlusten führen kann, wenn sie nicht kontrolliert erfolgt. Die Steuerung der Atmosphäre im Vorwärmkanal – insbesondere des Sauerstoffgehalts – wird daher als kritischer Parameter erkannt.

Nicht zu vernachlässigen ist die Bedeutung der Ofengeometrie und Strömungsmechanik für die Effektivität der Schrottvorwärmung. CFD-gestützte Analysen liefern Erkenntnisse darüber, wie die Gestaltung von Vorwärmkanälen, Gasdüsen und Schachteinläufen optimiert werden kann, um eine homogene Wärmeverteilung zu gewährleisten. Dabei wird auch die Verweilzeit des Schrotts als variabler Faktor in das thermische Gesamtkonzept integriert.

Parallel zur thermodynamischen Betrachtung wird auch die Umweltverträglichkeit diskutiert. Verfahren zur Dioxinabscheidung aus dem Abgasstrom sowie Konzepte zur CO₂-Reduktion durch effizientere Wärmenutzung sind feste Bestandteile moderner Ofenkonzepte. Technologien wie ECOARC oder FAF (Fuel Arc Furnace) setzen auf Hybridlösungen, bei denen fossile Brennstoffe und elektrische Energie komplementär eingesetzt werden, um den Gesamtkraftstoffbedarf zu reduzieren.

Ein entscheidender Fortschritt in der Entwicklung moderner Lichtbogenöfen besteht daher nicht nur in der Effizienzsteigerung einzelner Komponenten, sondern im systemischen Zusammenspiel von Schrottcharakteristik, Wärmequellenmanagement, Ofengeometrie und Abgasnutzung. Die Integration dieser Faktoren in ein geschlossenes thermisches Konzept bildet den Schlüssel zur Optimierung der Energie- und Ressourceneffizienz im Stahlherstellungsprozess.

Die Relevanz dieser Entwicklungen reicht über wirtschaftliche Aspekte hinaus: Im Kontext der europäischen Kreislaufwirtschaft und der globalen Dekarbonisierungsstrategien bildet die Verbesserung der Schrottvorwärmung einen strategisch wichtigen Baustein. Hierbei sind insbesondere interdisziplinäre Ansätze gefragt, die Werkstoffkunde, Verfahrenstechnik, Strömungsmechanik und Umwelttechnik verknüpfen. Ein vollständiges Verständnis der physikalischen und chemischen Wechselwirkungen im Prozess erlaubt eine tiefere Ausnutzung des Einsparpotenzials und eine signifikante Reduktion von CO₂-Emissionen.

Welche Auswirkungen hat die Erhöhung des Hot Metal Verhältnisses auf die Energieverbrauch und Emissionen im Elektrolichtbogenofen (EAF)?

Die Erhöhung des Hot Metal Verhältnisses (HMR) von 0,4 auf 0,75 führt zu einem signifikanten Anstieg des Sauerstoffbedarfs im Elektrolichtbogenofen (EAF). Während das HMR steigt, erhöht sich der notwendige Sauerstoffverbrauch von etwa 4500 bis 7500 Nm³/h. Zu Beginn eines typischen Schmelzvorgangs wird ein Ladungsgewicht von 90 bis 105 Tonnen Schrott in den Ofen gegeben. Im weiteren Verlauf des Prozesses werden innerhalb der ersten 9 Minuten etwa 50 bis 65 Tonnen flüssiges Roheisen aufgeladen. Die Sauerstoffinjektion beginnt nach etwa 16 Minuten, wobei der Sauerstofffluss zunächst bei 4000 Nm³/h liegt und schrittweise auf 8000 Nm³/h innerhalb von 20 Minuten erhöht wird. In den letzten Minuten des Prozesses erreicht die Sauerstoffinjektion ihren Höchstwert von 9000 Nm³/h für etwa 5 Minuten, bevor sie auf 5000 Nm³/h verringert und schließlich bei Minute 47 gestoppt wird.

Diese Zunahme des Sauerstoffbedarfs ist auf die Anforderungen der zusätzlichen chemischen Reaktionen zurückzuführen, die mit der Nutzung von Roheisen verbunden sind. Insbesondere wird der Dephosphorisierungsgrad beim Einsatz von Roheisen deutlich verbessert, was zu einer besseren Qualität des Endprodukts führt. Dabei wurde ein durchschnittlicher Dephosphorisierungsgrad von 50 bis 75 % im Vergleich zu Stahl, der ausschließlich aus Schrott besteht, festgestellt. Dies belegt die effektivere Reduktion von Phosphor bei der Verwendung von Roheisen, das im Vergleich zu Schrott eine höhere Menge an chemisch gebundenem Kohlenstoff und Silizium enthält.

Ein weiterer entscheidender Aspekt betrifft den Einfluss des HMR auf die Energieverbrauchseffizienz. Laut einer Studie von Lee et al. führte die Erhöhung des HMR auf 40 % zu einer effizienteren Nutzung des Sauerstoffs und einer schnelleren Kohlenstoffentfernung, was sich positiv auf die Gesamtzeit des Schmelzprozesses auswirkte. Allerdings wurde auch festgestellt, dass bei höheren HMR-Werten, insbesondere jenseits von 40 %, eine Sauerstoffversorgungsgrenze erreicht wird, die den DeCarbierungsprozess (Kohlenstoffreduzierung) einschränkt.

Neben den verbesserten Dephosphorisierungsraten und der beschleunigten Kohlenstoffentfernung hat der erhöhte Einsatz von Roheisen auch einen direkten Einfluss auf die Gaszusammensetzung. Durch die zusätzliche Bildung von Kohlenstoffmonoxid (CO) aufgrund des erhöhten Kohlenstoffgehalts im Roheisen steigt die Menge des erzeugten CO, was wiederum eine erhöhte Notwendigkeit für die Nachverbrennung und die Verarbeitung der Abgase zur Folge hat. Dies stellt höhere Anforderungen an das Abgassystem und erfordert möglicherweise den Ausbau der Kapazitäten für die Nachverbrennung, um die chemische Energie optimal zu nutzen.

Die CO-Emissionen und die damit verbundene CO2-Emissionen stellen jedoch ein bedeutendes Umweltproblem dar. Es wurde festgestellt, dass das HMR in Verbindung mit Roheisen zu einer höheren CO2-Emission führt, da der Kohlenstoffanteil im Roheisen deutlich höher ist als der im Schrott. Laut Liu et al. führte eine Praxis mit 30 % Roheisen zu einer CO2-Emission von 759 kg CO2/t Stahl im Vergleich zu 360 kg CO2/t Stahl bei 100 % Schrott. Diese Zunahme der CO2-Emissionen ist insbesondere auf die höhere Menge an chemischer Energie zurückzuführen, die im Roheisen vorhanden ist.

Interessanterweise zeigt eine andere Untersuchung, dass eine Erhöhung des HMR-Verhältnisses auch Auswirkungen auf die Kohlenstoffemissionen haben kann. Bei der Annahme, dass der Strom aus Kohle erzeugt wird, wurde festgestellt, dass die Nettoemissionen bei einer höheren Verwendung von Roheisen insgesamt verringert wurden. Für einen Ofen, der zu 100 % mit Schrott betrieben wird, lag die Emission bei 146,9 kg CO2/t, während sie bei einem HMR von 50 % auf 137 kg CO2/t sank. Dies deutet darauf hin, dass die erhöhte Verwendung von Roheisen unter bestimmten Bedingungen zu einer effizienteren Nutzung der elektrischen Energie führen kann und somit die Nettoemissionen trotz der höheren CO2-Emissionen des Roheisens gesenkt werden können.

Es ist wichtig, dass bei der Betrachtung der Auswirkungen von Roheisen auf den Energieverbrauch und die Emissionen nicht nur der erhöhte Sauerstoffbedarf und die CO2-Emissionen berücksichtigt werden, sondern auch die potenziellen Vorteile in Bezug auf den Dephosphorisierungsgrad und die Reduktion der Produktionszeit. Diese Faktoren müssen sorgfältig abgewogen werden, um die besten wirtschaftlichen und ökologischen Ergebnisse zu erzielen. Es ist auch zu beachten, dass die Notwendigkeit für eine effiziente Nachverbrennung und Abgasbehandlung mit steigendem HMR zunimmt, was zusätzliche Investitionen und Anpassungen im Abgassystem erfordert.

Wie berechnet man die elektrischen Verluste in einem Transformator, Kabeln, Reaktoren und Elektroden?

Die Berechnung elektrischer Verluste in elektrischen Systemen ist ein zentraler Aspekt, wenn es darum geht, die Effizienz von Geräten wie Transformatoren, Kabeln, Reaktoren und Elektroden zu bestimmen. Die Gesamtverluste, die in einer Anlage entstehen, können mit einer Vielzahl von Formeln ermittelt werden, wobei jede einzelne Komponente des Systems unterschiedliche Verlustarten aufweist. Im Folgenden wird ein detailliertes Beispiel für die Berechnung dieser Verluste präsentiert.

Die gesamten elektrischen Verluste (ΔHe) werden durch die Summe der Verluste aller Komponenten definiert. Die Verlustberechnung gliedert sich in verschiedene Bereiche: Verluste im Transformator, in den Kabeln, im Reaktor und in den Elektroden. Jede dieser Komponenten trägt auf unterschiedliche Weise zur Gesamtverlustleistung bei.

Die Verluste im Transformator werden mit einer spezifischen Formel berechnet, die die Leistung unter verschiedenen Lastbedingungen berücksichtigt. Eine der wichtigsten Variablen ist der sogenannte Lastkoeffizient (β), der die Unterschiede zwischen der Nennleistung und den tatsächlichen Betriebsbedingungen widerspiegelt. Dieser Lastkoeffizient wird mit Hilfe der Betriebslasten und der jeweiligen Spannung und Ströme der verschiedenen Phasen ermittelt.

Die elektrische Verlustleistung im Transformator (ΔHtr) wird durch eine komplizierte Formel berechnet, die mehrere Parameter wie die Leistung unter Leerlaufbedingungen (P0), die Leistung bei Kurzschluss (Psc) und den Lastkoeffizienten (β) berücksichtigt. Das Zeitintervall (τ) gibt an, wie lange der Transformator mit einer bestimmten Last verbunden ist, was ebenfalls Einfluss auf die Berechnung der Verluste hat.

Ein Beispiel für die Berechnung der Verluste eines Transformators mit einer Leistung von 6 kVA zeigt, dass die Gesamtverluste im Transformator (ΔHtr) 75,5 kWh/heat betragen. Dies ist ein wichtiger Wert, da er die Grundlage für die Berechnung der weiteren Verluste bildet.

Die Joule-Verluste in den Kabeln, Reaktoren und Elektroden werden ebenfalls mit speziellen Formeln berechnet, die die Widerstände dieser Komponenten, die Ströme und die Betriebszeiten berücksichtigen. Die allgemeinen Berechnungen für diese Verluste beinhalten die Widerstände der Kabel und Reaktoren sowie die Ströme, die durch diese Komponenten fließen.

Zum Beispiel werden die Kabelverluste (ΔHcable) mit der Formel ΔHjoule = RI²τ berechnet, wobei R der Widerstand der Kabel, I der Strom und τ die Zeit ist, während der Strom fließt. Durch die Anwendung dieser Formel auf alle relevanten Kabel, Reaktoren und Elektroden können die jeweiligen Verluste in jedem Abschnitt des Systems berechnet werden.

In dem Beispiel wird gezeigt, dass die Kabelverluste (ΔHcable) 6,1 kWh/heat betragen, die Reaktorverluste (ΔHreactor) 1,1 kWh/heat und die Verluste in den Elektroden (ΔHelectrodes) 101 kWh/heat. Die Gesamtverluste für das gesamte System (ΔHe) betragen somit 183 kWh/heat. Diese Verluste entsprechen etwa 3 % der gesamten Wärmeenergie, die in das System eingeht.

Wichtig zu verstehen ist, dass die höchsten elektrischen Verluste aufgrund der höheren Ströme in den Elektroden auftreten. Die Verluste im Transformator sind ebenfalls signifikant, jedoch nicht so hoch wie die der Elektroden. Dies verdeutlicht die Bedeutung einer genauen Berechnung und Analyse der Verluste in jeder einzelnen Komponente eines elektrischen Systems, um die Gesamtenergieeffizienz zu optimieren.

Ein weiterer wesentlicher Aspekt ist die Berücksichtigung der Betriebsbedingungen der einzelnen Komponenten. Besonders die unterschiedlichen Lasten und die damit verbundenen Spannungen und Ströme müssen genau beachtet werden, da sie den Lastkoeffizienten beeinflussen. Der Lastkoeffizient (β) ist ein entscheidender Parameter, um die realen Verluste unter verschiedenen Betriebsbedingungen korrekt zu berechnen.

Neben den spezifischen Berechnungen ist es auch wichtig, auf die Bedeutung der Materialwahl und der Designmerkmale der einzelnen Komponenten einzugehen. So können unterschiedliche Materialien in den Kabeln und Elektroden zu unterschiedlichen Widerstandswerten führen, was die Höhe der Verluste beeinflusst. Darüber hinaus spielt die Gestaltung der Schaltung und die Effizienz des Kühlsystems eine Rolle bei der Minimierung von Verlusten.

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