Wie man die Schaumhöhe in der Schlacke bei der Stahlproduktion mit verschiedenen Modellen vorhersagt

Die Schaumhöhe in der Schlacke ist ein kritischer Parameter in der Stahlproduktion, insbesondere bei der Verwendung von Direktreduktions-Eisen (DRI). Die Vorhersage und Kontrolle dieses Schäumungsverhaltens spielt eine entscheidende Rolle bei der Optimierung von Prozessen, der Minimierung von Energieverbrauch und der Maximierung der Effizienz von Produktionsanlagen.

Ein grundlegendes Modell, das häufig in der Industrie verwendet wird, basiert auf der Untersuchung des Einflusses der Oberflächenblasengeschwindigkeit auf die Schaumhöhe. Wie in verschiedenen Studien gezeigt wurde, ist die Blasengeschwindigkeit ein Schlüsselfaktor, der das Schäumungsverhalten direkt beeinflusst. Besonders die kleinen Änderungen in der Blasengröße können signifikante Auswirkungen auf die Vorhersagekraft eines Modells haben. So zeigte beispielsweise eine Untersuchung von Zhu und Sichen, dass die Modellvorhersagen für zwei verschiedene Ölsorten sehr empfindlich auf die Blasengröße reagieren. Kleinste Änderungen der Blasengröße führten zu großen Abweichungen bei der Reproduzierbarkeit experimenteller Daten.

Ein besonders interessanter Aspekt in Morales' Arbeit war die Untersuchung der Wechselwirkungen zwischen der Schlackenkohlenstoffkonzentration und dem FeO-Gehalt. Es wurde gezeigt, dass bei einem FeO-Gehalt unter 30% die Kohlenstoffkonzentration in der Schlacke im Bereich von 0,10 bis 0,15% liegen sollte, um optimale Schäumungseffekte zu erzielen. Eine präzise Steuerung des Kohlenstoffgehalts in der Schlacke ist daher ein entscheidender Parameter für die Schäumungseffizienz. Der Kohlenstoffgehalt wird dabei durch die Zugabe von Kohlenstoffpartikeln gesteuert, deren Partikelgröße und Verweilzeit im Ofen genau überwacht werden müssen.

Die Effizienz des Modells wird durch die Bestimmung der optimalen Menge an Kohlenstoffpartikeln beeinflusst, die in die Ofencharge eingebracht werden. Es wurde festgestellt, dass eine zu hohe Kohlenstoffzugabe, über 14 kg/t, negative Auswirkungen auf die Anlagen hat, insbesondere aufgrund der Erosion von sehr feinen Kohlenstoffpartikeln. Diese Feinpartikel neigen dazu, sich durch die Verbrennung zu zersetzen, was die Lebensdauer der Ausstattungen erheblich beeinträchtigen kann.

Die Modellierung des Einspritzvorgangs und der Blasenbildung in der Schlacke erfordert ebenfalls eine detaillierte Betrachtung der Partikelgrößen und ihrer Wechselwirkungen mit der Flüssigphase der Schlacke. Ein kritischer Aspekt ist die Frage, welche Partikel in die flüssige Schlacke eindringen können. Untersuchungen von Farias und Robertson legten nahe, dass die Partikelgröße und die Geschwindigkeit der Partikel eine direkte Rolle bei der Bestimmung des Anteils der Partikel spielen, die die Grenzfläche zwischen Gas und Flüssigkeit überwinden können. Diese Faktoren werden durch die Oberflächenspannung sowie durch die Wechselwirkungen zwischen den festen und flüssigen Phasen bestimmt.

Ein wichtiger Hinweis für Praktiker ist die Bedeutung der richtigen Mischung und Dosierung der Kohlenstoffpartikel. Zu wenig Kohlenstoff führt zu einer unzureichenden Reduktion von FeO und damit zu ungenügender Schäumung. Andererseits kann eine zu hohe Kohlenstoffzugabe, wie bereits erwähnt, zu unerwünschten Nebenwirkungen führen. Daher ist es entscheidend, eine Balance zu finden, die sowohl die Schaumhöhe optimiert als auch die Betriebskosten minimiert.

Die verschiedenen Modelle, die in der Forschung zur Vorhersage der Schaumhöhe entwickelt wurden, bieten wertvolle Werkzeuge zur Prozessoptimierung. Sie ermöglichen eine präzisere Steuerung der chemischen Reaktionen und der Blasenbildung in der Schlacke, was zu einer höheren Effizienz und einer Reduktion von Produktionskosten führt. Das Verständnis der komplexen Wechselwirkungen zwischen Gasgeschwindigkeit, Blasengröße, Kohlenstoffgehalt und Temperatur ist daher unerlässlich für die Weiterentwicklung der Stahlproduktion.

Warum spielt die chemische Zusammensetzung der Schlacke eine entscheidende Rolle beim Schäumen in der Stahlerzeugung?

Das Schäumen der Schlacke ist ein komplexer Prozess, der durch zahlreiche physikalisch-chemische Wechselwirkungen beeinflusst wird. Die unterschiedlichen experimentellen Bedingungen, insbesondere die Quelle der Gasphase, können dabei zu erheblichen Abweichungen in den Ergebnissen führen. Ein wichtiger Aspekt, der häufig unterschätzt wird, ist, dass die gleiche Schlackenzusammensetzung bei verschiedenen Konzentrationen und in Kombination mit anderen Komponenten unterschiedliche Effekte auf die Schäumdynamik haben kann. So hat beispielsweise CaF2 sowohl eine starke Wirkung auf die Viskositätsminderung der Schlacke – was das Schäumen begünstigt – als auch auf die Oberflächenspannung, was wiederum das Schäumen verstärken kann. Hier zeigt sich bereits das grundsätzliche Dilemma: In einem System mit vielen interagierenden Faktoren führt eine Änderung eines Parameters nicht immer zu einer linearen Veränderung im Endergebnis.

Ein zentrales Problem bei der Vorhersage und Steuerung von Schlackenschäumen ist die Tatsache, dass experimentelle Ergebnisse unter bestimmten Bedingungen nicht immer auf andere Situationen übertragbar sind. Selbst geringe Änderungen der Bedingungen können das Schäumverhalten entscheidend verändern, weshalb eine allgemeine Gesetzmäßigkeit schwierig festzulegen ist. Diese Tatsache wurde bereits 1991 von Mukai in seinen Untersuchungen hervorgehoben, die auf die Herausforderungen bei der Standardisierung von Schäumprozessen hinwiesen.

Die Rolle des Eisenoxids in der Schlacke ist ebenfalls von entscheidender Bedeutung für den Schäumprozess. Häufig als Wüstit bezeichnet, liegt Eisenoxid in flüssigen Schlacken tatsächlich in einer Mischung aus FeO und Fe2O3 vor. Diese beiden Oxide haben unterschiedliche chemische Eigenschaften, und eine genaue Beschreibung des Schäumprozesses muss beide Formen des Eisenoxids berücksichtigen, da sie unterschiedliche Effekte auf die Schäumdynamik haben.

In den 1930er Jahren führte Bickerman das Konzept des „Schäumindexes“ ein, der in den 1990er Jahren von der Fruehan-Gruppe weiterentwickelt wurde. Der Schäumindex hat sich als nützlich, aber auch als begrenzt erwiesen. Dies liegt an der Tatsache, dass das ursprüngliche Konzept von einer linearen Beziehung zwischen der Oberflächen-Gasgeschwindigkeit und der Schaumhöhe ausging, während die Realität drei unterschiedliche Bereiche umfasst: einen nicht schäumenden Bereich bei niedrigen Gasgeschwindigkeiten, einen linearen Bereich und einen nicht-linearen Bereich bei höheren Gasgeschwindigkeiten. In der Praxis ist die Schäumdynamik auch von anderen Faktoren wie der Gasrate, der Art des Gases, der Blasengröße und der Verteilung der Blasen abhängig.

Die Entwicklung eines vereinheitlichten Schäumindexes, der sowohl die Gasinjektion als auch die physikalischen Eigenschaften der Schlacke berücksichtigt, könnte eine vielversprechende Lösung darstellen. Einige Forscher, wie Pilon et al., haben das Konzept des Schäumindexes verworfen und konzentrieren sich stattdessen auf die Schaumhöhe als Funktion der Systemeigenschaften und der Gasgeschwindigkeit. Ein weiteres Problem ist, dass der Schäumindex fälschlicherweise davon ausgeht, dass er mit zunehmender Viskosität stetig wächst. Tatsächlich beginnt er bei einem bestimmten kritischen Wert zu sinken.

Der Einsatz von CFD zur Modellierung von Schäumprozessen könnte künftig eine wichtige Rolle dabei spielen, präzisere Vorhersagen zu ermöglichen und die Prozesssteuerung zu optimieren. Die Entwicklung stabiler, kohlenstofffreier Schäumprozesse stellt einen entscheidenden Schritt in Richtung nachhaltiger Stahlerzeugung dar, und die Anpassung der Schlackenzusammensetzung an diese neuen Bedingungen wird eine zentrale Herausforderung für die zukünftige Forschung und industrielle Praxis sein.

Wie neue Technologien die Effizienz in der Elektrostahlproduktion steigern

Die kontinuierliche Entwicklung der Elektrostahlproduktion hat in den letzten Jahren maßgeblich dazu beigetragen, die Effizienz und Wirtschaftlichkeit von Stahlwerken zu verbessern. Besonders in der Bearbeitung von Schrottmaterialien, die für die Produktion von Stahl verwendet werden, gibt es stetige Fortschritte. Ein wichtiger Aspekt dabei ist die Optimierung der Schrottzusammensetzung und die damit verbundene Energieeffizienz der elektrischen Lichtbogenöfen (EAF).

Ein bedeutendes technisches Verfahren, das dabei zum Einsatz kommt, ist die so genannte "Gunning-Technologie". Diese Methode ermöglicht es, unterschiedliche Materialien in den Schmelzprozess einzuführen, wobei die Gunning-Rate bei 125 bis 150 kg/min liegt. Diese Technik wird zunehmend in Stahlwerken eingesetzt, um die Qualität und Produktivität zu steigern und den Energieverbrauch zu senken. Dabei werden unterschiedliche Schrottarten, einschließlich hochwertiger Stahlschrotts und Direktreduktionseisen (DRI), gemischt, um eine maximale Schmelzleistung und Materialausbeute zu erzielen.

Ein weiterer innovativer Ansatz betrifft das sogenannte "Slag Door"-Design, das die Luftinfiltration vermeidet und so die Effizienz der Schmelze erhöht. Laut Gottardi et al. [97] wurde das klassische Modell der Schlackenöffnung durch eine neue Konstruktion ersetzt, bei der die Tür in zwei Teile unterteilt wird. Das untere Segment dient dazu, Schrott zu schieben und Schlacke abzulassen, falls dies notwendig ist. Diese Neuerung ermöglicht es, ein größeres Volumen an Schlacke im Elektrolichtbogenofen (EAF) zu halten, was zu besseren Schäumungsbedingungen und einer höheren Ausbeute des eingesetzten Kohlenstoffs führt.

Im Vergleich zur herkömmlichen offenen Türtechnik bietet das geschlossene Türdesign den Vorteil, dass die Schlacke nicht entweichen kann. Dies hat sowohl Vorteile als auch Nachteile. Eine geschlossene Schlackenöffnung trägt dazu bei, die Produktionsbedingungen zu stabilisieren und eine gleichmäßige Temperaturkontrolle aufrechtzuerhalten, was zu einer besseren Ausnutzung der Energie führt. Jedoch bringt diese Technologie auch Herausforderungen mit sich, da die Abführung von Schlacke im Falle von Problemen schwieriger sein kann.

Eine interessante Untersuchung von Uyen [98] in einem 45-Tonnen-EAF mit 60-65 % DRI zeigt, dass die Schäumhöhe zwischen 1,5 und 2 Metern lag und die aktive Leistung des Ofens deutlich gesteigert werden konnte. Dies führte zu einer Verbesserung der metallischen Ausbeute um 2,1 % und einer drastischen Reduktion des FeO-Gehalts. Allerdings wurde auch festgestellt, dass dieses Verfahren für die Herstellung von Stählen mit niedrigem Phosphorgehalt nicht geeignet ist, da es zu einer Phosphor-Rückkehr kommen kann, was das Risiko von Schaumüberläufen (Slopping) erhöht.

In der Elektrostahlproduktion ist die richtige Wahl des Schrottmaterials von entscheidender Bedeutung. Die Zusammensetzung des Schrotts beeinflusst nicht nur die Schmelzleistung, sondern auch den Energieverbrauch und die Umweltbilanz der Produktion. Ein hoher Anteil an hochwertigem Schrott, der eine geringere Verunreinigung aufweist, führt zu einem besseren Schmelzergebnis und einer effizienteren Nutzung des eingesetzten Stroms. Ebenso hat die Implementierung von Technologien zur Vorwärmung des Schrotts das Potenzial, den Energieverbrauch zu senken und die Qualität des Endprodukts zu verbessern.

Es ist wichtig, die Balance zwischen Schrottqualität, technologischen Innovationen und der Effizienzsteigerung des gesamten Produktionsprozesses zu verstehen. Technologische Fortschritte, wie die Nutzung von DRI und die Optimierung des Schrottmixes, tragen dazu bei, die Herstellungskosten zu senken und gleichzeitig die CO2-Emissionen zu verringern. Diese Entwicklungen sind nicht nur aus ökologischer Sicht wichtig, sondern auch aus ökonomischer Perspektive, da sie den Produktionsprozess nachhaltig verbessern und wettbewerbsfähiger machen.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Elektrostahlproduktion in den kommenden Jahren weiterhin von technologischen Neuerungen profitieren wird, die nicht nur die Effizienz und Produktivität steigern, sondern auch zur Erreichung von Klimazielen beitragen. Es wird entscheidend sein, wie gut Unternehmen in der Lage sind, diese Technologien zu integrieren und zu optimieren, um die Herausforderungen der modernen Stahlproduktion zu meistern und gleichzeitig die Anforderungen an Nachhaltigkeit und Ressourcenschonung zu erfüllen.

Wie Regression Modelle die Energieverbrauchsvorhersage im Elektrostahlofen verbessern können

Regression Modelle, insbesondere Multi-Linear-Regression (MLR), haben sich als nützlich erwiesen, um den Energieverbrauch in Elektrostahlöfen (EAF) vorherzusagen. Diese Modelle bieten den Vorteil der Transparenz im Gegensatz zu komplexeren maschinellen Lernmodellen, die oft als „Black Box“ fungieren. Sie ermöglichen es, verschiedene Parameter zu analysieren und deren Einfluss auf den Energieverbrauch zu quantifizieren, wobei die Modelle von Köhle et al. als eine der frühesten und umfangreichsten Sammlungen in diesem Bereich betrachtet werden.

Die erste Regression von Köhle et al. im Jahr 1992 basierte auf Daten von 14 EAFs, die mit Wechselstrom betrieben wurden. Das Modell berücksichtigte sechs Hauptfaktoren, darunter den Schrottverbrauch, Flussmittel, die Tapping-Temperatur und den Methan- sowie Sauerstoffverbrauch. Die Analyse zeigte eine deutliche Korrelation zwischen reduziertem Energieverbrauch und vermindertem Elektrodenverbrauch, was auf den direkten Zusammenhang zwischen Energieeffizienz und Elektrodentechnologie hinwies. Diese Anfangsdaten setzten Maßstäbe für zukünftige Berechnungen und legten den Grundstein für die Entwicklung weiterer, verfeinerter Modelle.

Im Laufe der Jahre wurden die Regressionen kontinuierlich verfeinert, um komplexeren Produktionsbedingungen gerecht zu werden. Ein späteres Modell, das 1997 veröffentlicht wurde, beinhaltete auch den Post-Combustion-Prozess und erweiterte das Datenmodell um zusätzliche Variablen. Besonders bemerkenswert war der positive Einfluss des Post-Combustion-Systems auf die Energieeffizienz: Alle getesteten Öfen wiesen bei der Anwendung dieses Prozesses eine geringere Stromaufnahme auf. Dabei wurde auch die Wärmeübertragungseffizienz berücksichtigt, die bei 42% lag, was die Bedeutung dieser Technik in der Reduzierung des Energieverbrauchs unterstrich.

Die Einführung von Direct Reduced Iron (DRI) als eine der Hauptrohmaterialien für die EAFs brachte eine neue Herausforderung für die Modellierung. Im Jahr 1999 wurde eine Regression veröffentlicht, die erstmals den Einfluss von DRI und heißen Metallen berücksichtigte. Diese Variablen beeinflussten den Energieverbrauch signifikant, da DRI, obwohl es in nur vier von 35 untersuchten EAFs verwendet wurde, eine signifikante Auswirkung auf den Stromverbrauch hatte. Das Modell erkannte auch den Einfluss der Betriebsweise – ob kontinuierlich oder diskontinuierlich – auf die Effizienz des Ofens.

Eine detaillierte Betrachtung der Koeffizienten und ihrer Auswirkungen auf den Energieverbrauch zeigt, wie jede Variable den Gesamtenergieverbrauch beeinflusst. Ein positiver Wert für eine Variable deutet darauf hin, dass deren Erhöhung den Energieverbrauch steigert, während ein negativer Wert das Gegenteil anzeigt. Beispielsweise bedeutet der Koeffizient von 80 in Köhles ursprünglicher Regression, dass eine Erhöhung des Anteils an vorreduzierten Materialien den Energieverbrauch um 0,8 kWh pro Tonne erhöht. Diese Zahlen verdeutlichen die Feinheit der Modellierung und die Notwendigkeit einer genauen Datenerhebung.

Eine Herausforderung für diese Modelle bleibt jedoch die Genauigkeit bei der Vorhersage von Energieverbrauch auf Ebene einzelner Chargen. Das bedeutet, dass die Anwendung der Modelle auf einzelne Gießprozesse oft ungenau ist, vor allem bei der Verwendung von DRI oder Post-Combustion-Techniken. In einigen Fällen konnte die Genauigkeit durch die Verwendung von Durchschnittswerten über mehrere Monate hinweg verbessert werden, was zeigt, dass der Kontext und die Betriebsbedingungen eines Werkes entscheidend für die Genauigkeit der Vorhersagen sind.

Diese Regressionen sind zwar ein wichtiger Schritt in der Optimierung des Energieverbrauchs von Elektrostahlöfen, aber sie sind nicht der einzige Schlüssel zur Effizienzsteigerung. Es ist entscheidend, dass die Betreiber von Stahlwerken kontinuierlich die variierenden Betriebskosten und -bedingungen sowie die chemischen Zusammensetzungen der eingesetzten Materialien berücksichtigen. Dies erfordert eine ständige Anpassung und Verfeinerung der Modelle, um die Effizienz weiter zu steigern und den Energieverbrauch zu minimieren.

Wie hat sich die Stahlproduktion durch den EAF-Prozess weltweit entwickelt?

Die Entwicklung der Stahlproduktion durch den Elektrolichtbogenofen (EAF) ist eng mit den historischen und technologischen Veränderungen in der Stahlindustrie verknüpft. Die globale Stahlproduktion hat sich in den letzten 100 Jahren erheblich gewandelt, was auch zu einem Paradigmenwechsel in den verwendeten Produktionsprozessen führte. Insbesondere seit dem Ende des Zweiten Weltkriegs ist der EAF-Prozess zunehmend wichtiger geworden. Zu Beginn des 20. Jahrhunderts dominierte der Offenherdofen (OHF), und in der Mitte des Jahrhunderts wurde der Sauerstoffblasprozess (BOF) zur vorherrschenden Methode. Der EAF-Prozess spielte jedoch eine zunehmend wichtige Rolle und zeigte sich als flexible Lösung, insbesondere in Ländern, die über große Mengen an Stahlschrott verfügten.

Bis etwa 1990 war die Stahlproduktion weltweit relativ stabil, wobei Russland, die USA und Japan führende Produzenten waren. Doch 1993 überholte China die USA und wurde zum weltweit größten Stahlproduzenten. Diese Entwicklung wurde durch die gesteigerte Nachfrage nach Stahl und die Expansion der chinesischen Industrie vorangetrieben. China ist heute der treibende Faktor hinter einem deutlichen Anstieg der weltweiten Stahlproduktion, insbesondere durch die Nutzung des EAF-Prozesses.

Ab 2000 erlebte der EAF-Prozess einen weiteren Aufschwung, jedoch mit einer geringeren prozentualen Beteiligung an der Gesamtproduktion, da China seine Produktionskapazitäten erheblich ausbaute und zunehmend den Hochofenprozess (BF/BOF) nutzte. Trotzdem blieb der EAF-Prozess ein wesentlicher Bestandteil der globalen Stahlproduktion. Im Jahr 2022 betrug die weltweit durch EAF produzierte Stahlmenge 531 Millionen Tonnen, was etwa 28,2 % der Gesamtproduktion ausmachte.

Der Ursprung des EAF-Prozesses reicht bis in die ersten Jahre des 20. Jahrhunderts zurück. In den USA wurden ab 1906 die ersten Elektrolichtbogenöfen installiert, wobei die Anfangskapazität bei lediglich 3 Tonnen lag. Trotz der frühen Entwicklung in Frankreich erlebte die USA eine verstärkte Anwendung dieser Technologie. Unternehmen wie die United States Steel Corporation (USS) und Bethlehem Steel Corporation trugen erheblich zur Etablierung und Verbreitung des EAF bei. Insbesondere in den Jahren nach 1915 stieg die Produktion durch den EAF erheblich, was jedoch hauptsächlich auf eine Erhöhung der Anzahl der Anlagen und nicht unbedingt auf die Kapazität der einzelnen Öfen zurückzuführen war. In den Jahren von 1910 bis 1929 stieg die Zahl der Elektrolichtbogenöfen von 10 auf 650, was zu einer Produktionserhöhung von 53.000 Tonnen auf über 1 Million Tonnen führte.

Ein wichtiger Aspekt der EAF-Technologie war die Möglichkeit, eine höhere Flexibilität bei der Rohstoffwahl zu bieten. Der EAF ermöglichte die Nutzung von Stahlschrott, der in großen Mengen zur Verfügung stand, und konnte sogar hohe Schrottanteile von bis zu 100 % verarbeiten. Diese Flexibilität war eine der treibenden Kräfte hinter der Verbreitung des EAF-Prozesses, da Stahlschrott günstiger als Roheisen war und die Herstellung von Stahl aus Schrott weniger kapitalintensiv war.

Ein weiterer Vorteil des EAF war die geringere Notwendigkeit für teure Brennstoffe. Im Gegensatz zu den traditionellen Verfahren, die auf chemische Energie angewiesen sind (wie bei der OHF- oder BOF-Technologie), verwendet der EAF elektrische Energie. Diese Abhängigkeit von Strom hat jedoch auch Herausforderungen mit sich gebracht, da die Kosten für elektrische Energie die Rentabilität des EAF-Prozesses beeinflussen können. Für die breite Akzeptanz des EAF war es entscheidend, Technologien zu entwickeln, die die Energiekosten senken konnten.

Die EAF-Technologie ist heute ein zentraler Bestandteil der Stahlproduktion, insbesondere in entwickelten Ländern, in denen der Zugang zu Stahlschrott und die Anforderungen an flexiblere Produktionsmethoden hoch sind. In Zukunft könnte der EAF-Prozess noch weiter verbessert werden, um die Energieeffizienz zu steigern und die Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen zu verringern. Der technologische Fortschritt in der EAF-Technologie könnte zudem eine Schlüsselrolle dabei spielen, die Stahlindustrie in eine nachhaltigere Richtung zu lenken, wobei die Nutzung von erneuerbaren Energien eine zunehmend größere Rolle spielen dürfte.