Wie beeinflussen Blasengröße und Schlackenzusammensetzung das Schäumen von Schlacken im Hochofenprozess?

Das Schäumen von Schlacken in metallurgischen Prozessen, insbesondere in der Eisen- und Stahlindustrie, ist ein komplexes Phänomen, das stark von der Blasengröße und der chemischen Zusammensetzung der Schlacke abhängt. Die Entwicklung und das Verständnis von Schaumverhalten sind entscheidend für die Effizienz der verschiedenen Schmelzprozesse, wie der Sauerstoffabblasung im Hochofen, wo die Blasenbildung das Übertragen von Gasen, die Temperaturregelung und sogar die Qualität der Endprodukte beeinflussen kann.

Die Schlackenzusammensetzung spielt eine wichtige Rolle im Schäumprozess, insbesondere die Konzentration von FeO, CaO und SiO2 sowie die Basizität der Schlacke. Studien von Tayeb et al. [174] und Luz et al. [213] haben gezeigt, dass thermodynamische Software wie FactSage hilfreich sein kann, um die Löslichkeit von MgO in Schlacken mit niedriger Basizität genau zu berechnen, auch wenn sie in weniger basischen Schlacken oftmals unzuverlässig ist. Dies bedeutet, dass experimentelle Daten oft eine zuverlässigere Grundlage für die Untersuchung der Schäumeigenschaften bieten. Ebenso hat die Untersuchung der MgO-Sättigung durch Heo und Park [165] gezeigt, dass die Theorie der MgO-Sättigung die Schäumdynamik im Hochofenprozess genauer beschreibt, da es in der Praxis schwierig ist, reines MgO aus der Schlacke zu extrahieren.

Ein bedeutender Aspekt beim Schäumen ist die Größe der Blasen, die in der Schlacke erzeugt werden. Ogawa und Tokumitsu [215] führten 1990 eine Untersuchung durch, in der sie die Blasenbildung bei Temperaturen von 1500 °C mit Röntgentechniken beobachteten. Ihre Ergebnisse zeigten, dass eine Blasengröße von etwa 1 mm den maximalen Schaumhöheeffekt verursachte. Wenn die Blasen größer wurden, insbesondere ab einem Durchmesser von 6 mm, begann der Schaum zusammenzubrechen. Diese Erkenntnis ist von besonderer Bedeutung, da die Blasengröße die Schaumhöhe direkt beeinflusst, was die Stabilität und die thermodynamischen Eigenschaften der Schlacke verändert.

Weitere Forschungsergebnisse, wie die von Zhang und Fruehan [128], zeigen, dass kleinere Blasen stabiler sind und den Schaum effizienter aufrechterhalten können. Sie setzten zwei Methoden ein, um kleinere Blasen zu erzeugen: die Verwendung eines aluminiumbeschichteten Rohres mit kleinen Bohrungen und die Erzeugung von Blasen durch die chemische Reduktion von FeO an der Schlacke-Metall-Grenzfläche. Beide Methoden führten zu einer signifikanten Verkleinerung der Blasen, was wiederum den Schäumindex erhöhte. Gleichzeitig stellte sich heraus, dass die Blasengröße auch durch den Schwefelgehalt im Metall beeinflusst wird: Bei geringerem Schwefelgehalt bilden sich kleinere Blasen, was den Schäumprozess stabilisiert.

Die chemische Interaktion zwischen Schlacke und Gas ist ein weiterer wichtiger Faktor. Die Blasenbildung durch chemische Reaktionen an der Schlacke-Metall-Grenzfläche führt zu einer feineren Blasenstruktur, die dem Schaum eine größere Stabilität verleiht. Dies ist besonders bei niedrigen Schwefelgehalten im Metall zu beobachten. Ein höherer Schwefelgehalt in der Metallphase fördert hingegen die Bildung größerer Blasen, da er den Kontaktwinkel der Schlacke auf den Metalloberflächen erhöht.

Zusätzlich zu diesen chemischen und physikalischen Aspekten ist auch die Gasgeschwindigkeit entscheidend für die Blasengröße und die Schaumstabilität. Studien von Zhu und Sichen [97] haben gezeigt, dass die Oberflächen-Gasgeschwindigkeit einen direkten Einfluss auf die Blasengröße hat. Eine höhere Gasgeschwindigkeit führt zu einer größeren Blasenbildung und einer höheren Schaumhöhe, was sich auf die Gesamtwirtschaftlichkeit und die Prozesskontrolle auswirken kann.

Es ist wichtig zu verstehen, dass die optimale Blasengröße und die Schlackenzusammensetzung stark von den spezifischen Bedingungen des Hochofenprozesses abhängen. Faktoren wie Temperatur, Gasdruck und die spezifische Zusammensetzung der Metallschlacke beeinflussen alle das Verhalten des Schaums und müssen in die Prozessoptimierung einbezogen werden. Auch wenn moderne thermodynamische Modelle eine genauere Vorhersage der Schaumdynamik ermöglichen, bleiben direkte Messungen und experimentelle Daten unerlässlich, um die Komplexität des Phänomens genau zu erfassen.

Wie beeinflussen Brennerleistung und Schrottporosität die Schrottschmelze?

Die Temperaturkorrekturmethode, die von Alam et al. vorgeschlagen wurde, verbessert das Standard-Modell der turbulenten Strömung, insbesondere im Bereich der Gasmischzone. Diese Methode modifiziert die Viskosität der Turbulenz, um den Einfluss von Temperaturgradienten zu berücksichtigen, was im Standard κ-ε-Modell nicht enthalten ist. Es ist entscheidend, dass solche Korrekturen eingeführt werden, da die turbulente Mischung innerhalb der Brennphase des Schrotts stark von den Temperaturverhältnissen beeinflusst wird. Das Modell zur Schrottschmelze betrachtet Schrott als poröses Medium, wobei ein Zwei-Zellen-Ansatz verwendet wird, der es ermöglicht, den Anteil von festem und flüssigem Schrott in jeder Zelle zu berechnen. Die Wärmeleitfähigkeit wird je nach Zelltemperatur in drei Bereiche unterteilt, die den festen, flüssigen und intermediären Temperaturbereich abdecken.

Ein weiterer wichtiger Aspekt der Modellierung ist der Wärmeaustausch zwischen Gas und Schrott. Der Wärmeübergangskoeffizient zwischen Gas und festem Schrott wurde für zwei Temperaturregionen – unter und über 1100 °C – geschätzt. Die Validierung des Modells unter Verwendung eines 3,2-MW-Brenners und einer Zellgröße von etwa 0,3 Millionen Zellen zeigt, dass das Modell die jet-Charakteristika und die Schrott-Heizrate gut abbildet, was durch experimentelle Daten bestätigt wird. Dies deutet darauf hin, dass das Modell die Schrottschmelzrate realistisch abbildet, indem es die Resolidifizierung berücksichtigt. In der Praxis bedeutet dies, dass flüssiges Eisen nicht sofort in die geschmolzene Stahlpfanne absinkt, sondern Wärme mit dem darunterliegenden Schrott austauscht und dann wieder erstarrt, um eine Region mit niedriger Porosität unter der Kavität zu bilden.

Wenn die Kavität eine kritische Größe erreicht, bricht der darüberliegende Schrott in die Kavität ein, da er unzureichend gestützt wird, und kälterer Schrott füllt die leere Kavität. Dieser Zyklus aus Vorwärmen und Schmelzen des Schrotts wiederholt sich, was zu einem ständigen Wandel der Schrottzustände führt.

In einer Simulation mit einer Dauer von fünf Minuten, die die verschiedenen Zyklen abdeckt, wurde die Penetrierungsdistanz für eine Isotherme von 600 K definiert. Eine Betrachtung der Auswirkungen der Brennerleistung auf die thermische Effizienz des Brenners, die Heizrate des Schrotts und die Kavitätsgröße zeigt signifikante Ergebnisse. Durch die Erhöhung der Brennerleistung auf 4,0 MW (im Vergleich zu 2,4 MW) wird die Heizrate des Schrotts erheblich gesteigert. Die Temperatur im Schrott steigt schneller, und die Kavität, die durch den Brenner gebildet wird, wächst in kürzerer Zeit. Bei einer Brennerleistung von 4 MW wird eine Kavität von 0,2 m³ innerhalb von 90 Sekunden gebildet, während bei einer Brennerleistung von 2,4 MW dieselbe Kavität erst nach 150 Sekunden gebildet wird.

Die Untersuchung der Schrottporosität zeigt, dass eine Zunahme der Porosität sowohl die thermische Effizienz des Brenners als auch die Schmelzrate des Schrotts verbessert. Wenn die Porosität von 0,81 auf 0,91 steigt, erhöht sich die thermische Effizienz des Brenners um etwa 20 %, und gleichzeitig steigt die durchschnittliche Schrotttemperatur um etwa 50 °C. Auch das Volumen der Kavität wächst signifikant, was bedeutet, dass der Schrott schneller schmilzt. Dies lässt sich durch den erhöhten Gasdurchfluss und den besseren Wärmeaustausch zwischen den Schrottteilen erklären.

Interessanterweise hat die Vorwärmtemperatur des Schrotts einen negativen Einfluss auf die Brenner-Effizienz und die Heizrate des Schrotts. Wenn die Vorwärmtemperatur von 300 K auf 900 K ansteigt, sinkt die Brenner-Effizienz von 75 % auf 59 %. Die höhere Vorwärmtemperatur beschleunigt jedoch die Schmelzrate des Schrotts, da sie den Wärmeaustausch zwischen dem Schrott und dem Gas intensiviert. Der Effekt auf die Kavität ist weniger deutlich, da diese auch bei höheren Vorwärmtemperaturen weiter wächst.

Schließlich sollte auch die Wechselwirkung zwischen Brennerleistung und Schrottvorbereitung berücksichtigt werden. In Fällen, in denen große Schrottstücke nicht richtig vorbereitet sind und vor den Brennern liegen, blockiert dies die Flamme, wodurch sich Wärme ansammelt und die Temperaturen im Schrott gefährlich steigen können. Dies zeigt die Notwendigkeit, eine angemessene Schrottaufbereitung sicherzustellen, um die Effizienz und Sicherheit des gesamten Prozesses zu gewährleisten.

Die Untersuchungsergebnisse zeigen, dass die richtige Balance zwischen Brennerleistung, Schrottporosität und Vorwärmtemperatur entscheidend für die Effizienz der Schrottschmelze ist. Es ist wichtig, den gesamten Prozess genau zu überwachen und zu steuern, um optimale Ergebnisse zu erzielen und gleichzeitig Energie zu sparen. Diese Erkenntnisse sind insbesondere für die Verbesserung der Prozesskontrolle in industriellen Anwendungen von Bedeutung.