Wie kann die Vorwärmung von Schrott die Energieeffizienz in Elektrolichtbogenöfen steigern?

Die energetische Effizienz von Elektrolichtbogenöfen (EAF) hat in den letzten Jahrzehnten zunehmend an Bedeutung gewonnen. Ein zentraler Faktor, der die Energieeinsparung beeinflusst, ist die Vorwärmung von Schrott. Studien zeigen, dass eine Temperatursteigerung des Schrotts um 100 °C zu einer Einsparung von etwa 15 kWh pro Tonne führen kann. Bei einer Vorwärmung des Schrotts auf 500 °C können die Energieeinsparungen sogar bis zu 75 kWh pro Tonne betragen. Die Energieeinsparungen variieren je nach eingesetztem Vorwärmsystem, wobei Werte von 30 bis 50 kWh pro Tonne üblich sind.

Die Verbesserung der Schmelzrate und die Reduzierung des Energieverbrauchs durch vorgeheizten Schrott sind jedoch nicht die einzigen Vorteile. Gleichzeitig wird auch die thermische Effizienz von Brennern und Nachverbrennungseinrichtungen optimiert, was zu einer besseren Gesamtbilanz des Ofens führt. Doch trotz dieser Vorteile gibt es auch Einschränkungen. Eine wichtige Herausforderung besteht darin, dass die Vorwärmung den Temperaturgradienten verringert, was die Effizienz der Nachverbrennung und der Brenner verringern kann.

Die Entwicklung von Schrottvorwärmsystemen hat in den letzten vier Jahrzehnten bemerkenswerte Fortschritte gemacht. Zu den ersten Versuchen, die Abwärme des Ofengases zur Schrottvorwärmung zu nutzen, gehörte der Einsatz von Schrottkübeln. Diese Technologie hat sich jedoch weiterentwickelt, und heute stehen zahlreiche verschiedene Systeme zur Verfügung.

Ein solches System ist das Schrottkübel-Vorwärmsystem, das bereits in den späten 1960er Jahren in Europa und Japan eingesetzt wurde, als die hohen Elektrizitätskosten den Bedarf an energieeffizienten Lösungen erhöhten. Dabei wird die Abwärme des Ofengases oder eine Kombination von Ofengasen und Erdgas verwendet, um den Schrott auf Temperaturen von bis zu 650 °C zu erwärmen. Dies ermöglicht eine erhebliche Reduktion des Energieverbrauchs, jedoch kann Schrottoxidation auftreten, wenn die Temperatur über 650 °C steigt, was die Metallausbeute verringert. Zudem kann die Lebensdauer der Schrottkübel verkürzt werden, da sich bei längerer Nutzung Schäden und Probleme mit der Temperaturverteilung manifestieren.

Schrott, der mit Öl oder Kunststoff beschichtet ist, stellt eine weitere Herausforderung dar, da er bei Temperaturen von etwa 260 °C entzündet und giftige Dioxine freisetzen kann. Diese Substanzen sind für die Umwelt und die Gesundheit gefährlich. Dioxine können durch Nachverbrennung bei hohen Temperaturen (über 850 °C) zerstört werden, jedoch besteht die Gefahr ihrer Neubildung beim Abkühlen zwischen 200 und 600 °C. Daher ist es notwendig, das Gas nach der Verbrennung schnell auf unter 200 °C abzukühlen.

Neben den Schrottkübel-Systemen gibt es auch andere Technologien zur Schrottvorwärmung, wie beispielsweise den Danarc-Prozess, der von Danieli entwickelt wurde. Dieses System verwendet einen hohen Ofen und einen hohen Schrottkübel, wobei der Schrott im Kübel vorgewärmt und dann auf den Ofen geladen wird. Ein Vorteil dieses Systems ist, dass es eine gleichmäßige Wärmeverteilung ermöglicht, was zu einer besseren Energieeffizienz führt. Trotzdem gibt es auch hier verschiedene Herausforderungen, wie etwa die unterschiedlichen Ergebnisse in Bezug auf die Energieeinsparungen, je nach Betriebsbedingungen und Systemdesign.

Ein weiteres bedeutendes System zur Schrottvorwärmung ist der Schachttofen, der in den 1980er Jahren entwickelt wurde. Der sogenannte Energy Optimizing Furnace (EOF) nutzt mehrere Kammern zur Vorwärmung des Schrotts, wobei Temperaturen von bis zu 850 °C erreicht werden können. Das System ermöglicht den Betrieb mit einem hohen Anteil an Schrott, wodurch die Produktionskosten gesenkt und die Gesamtenergieeffizienz des Ofens verbessert werden. Die Herausforderung beim EOF liegt jedoch in der Kontrolle der Schwefelbelastung, da dieses Element beim Schmelzprozess freigesetzt wird und die Qualität des Endprodukts beeinträchtigen kann.

Die Weiterentwicklung von Schrottvorwärmsystemen zeigt, dass die Technologie ein großes Potenzial zur Reduzierung des Energieverbrauchs in der Stahlproduktion bietet. Bei der Auswahl des geeigneten Systems müssen jedoch verschiedene Faktoren berücksichtigt werden, wie etwa die Art des Schrotts, die Betriebsbedingungen und die spezifischen Anforderungen der jeweiligen Anlage. Die richtige Technologie kann nicht nur den Energieverbrauch optimieren, sondern auch die Emissionen verringern und die Lebensdauer der Anlagen verlängern.

Wichtig ist, dass die Schrottvorwärmung nicht nur einen unmittelbaren Einfluss auf die Energieeffizienz hat, sondern auch auf andere wichtige Parameter wie die Produktionsgeschwindigkeit und die Qualität des Endprodukts. Eine umfassende Betrachtung aller relevanten Faktoren ist notwendig, um das volle Potenzial der Schrottvorwärmung auszuschöpfen und gleichzeitig mögliche Probleme, wie etwa die Bildung von schädlichen Dioxinen, zu minimieren.

Die Transformation der Stahlindustrie: Vom Staatsbetrieb zu privatwirtschaftlichen Giganten

Im Verlauf der 1980er Jahre erlebte die Stahlindustrie eine bemerkenswerte Transformation, die das gesamte Geschäftsmodell betraf. Stahlwerke, die ehemals in staatlichem Besitz waren, wurden nicht nur privatisiert, sondern auch zu gigantischen Unternehmensgruppen umstrukturiert. Diese Veränderungen sind ein zentraler Bestandteil des neoliberalen Wirtschaftsmodells, das den Markt in vielerlei Hinsicht umgestaltete. Ein entscheidender Vorteil dieser Privatisierungen war die Möglichkeit für die neuen Eigentümer, Produktionsanlagen zu schließen und die Arbeitskräfte auf andere Werke zu verlagern, was zuvor in staatlichem Besitz schwieriger gewesen wäre.

Ein besonders prägnantes Beispiel ist die Situation der mexikanischen Stahlindustrie, die ab 1988 durch die massive Privatisierung des Sektors geprägt wurde. Die Regierung verkaufte Stahlwerke zu Preisen weit unter ihrem tatsächlichen Wert. Dies führte zu einer drastischen Produktivitätssteigerung in den privaten Werken, obwohl die Situation der Branche aufgrund einer Vielzahl von Problemen, insbesondere schlechter Unternehmensführung, anfangs problematisch war. Unter privatwirtschaftlicher Leitung wurden Arbeitskräfte massiv reduziert und Kapitalinvestitionen in neue Technologien und Verfahren getätigt, was die Produktivität signifikant erhöhte.

In China, einem weiteren Beispiel für staatlich kontrollierte Unternehmen, wird hohe Produktivität durch ein System von Leistungsboni erreicht, das die Arbeitnehmer motiviert und die Effizienz der Werke steigert. Diese Systeme verdeutlichen die Bedeutung von Unternehmensführung und -struktur, um Produktivität und wirtschaftliche Gleichheit für Aktionäre und Arbeiter gleichermaßen zu gewährleisten. Ein Unternehmen, das in der Lage ist, seine Ressourcen, insbesondere die Arbeitskräfte, optimal zu nutzen, hat eine höhere Chance auf langfristigen Erfolg.

In der Stahlindustrie ist jedoch nicht nur die Privatisierung entscheidend. Ein weiterer Schlüsselfaktor für den Erfolg eines Unternehmens ist die effiziente Nutzung von Humankapital. Die Arbeitskraft eines Unternehmens stellt einen der wichtigsten Werte dar, insbesondere in einem wettbewerbsintensiven Markt. Studien wie die von Ouvradou belegen, dass die Produktivität eines Unternehmens in hohem Maße von seiner Organisation abhängt. Die Integration von effizienten Technologien in Kombination mit einer schlanken Unternehmensführung und einer hohen Ausbildungs- und Verantwortungsbereitschaft der Mitarbeiter führt zu einem leistungsfähigeren Unternehmen. Der entscheidende Faktor ist dabei nicht nur die technische Effizienz, sondern auch die Motivation und das Engagement der Arbeitskräfte.

Die Bedeutung von kontinuierlicher Schulung und Weiterbildung wird von Experten wie Nda und Fard hervorgehoben, die argumentieren, dass Organisationen kontinuierlich in die Ausbildung ihrer Mitarbeiter investieren müssen, um ihre Wettbewerbsfähigkeit zu wahren. Dies gilt besonders für die Stahlindustrie, in der technologische Innovationen und die Weiterentwicklung der Produktionsverfahren essenziell für den Unternehmenserfolg sind. Training und Entwicklung helfen nicht nur, die Fähigkeiten der Mitarbeiter zu erhalten, sondern sind auch ein Schlüssel, um die Loyalität und Motivation der Arbeitskräfte langfristig zu sichern.

Lee et al. führten eine Studie zu den Auswirkungen von Personalmanagementpraktiken in der Stahlindustrie Taiwans durch und stellten fest, dass sechs zentrale Strategien – darunter Ausbildung, Teamarbeit, Löhne und Arbeitsplatzsicherheit – eine positive Auswirkung auf die Unternehmensleistung hatten. Diese Praktiken tragen nicht nur zur Verbesserung der Produktivität bei, sondern fördern auch ein besseres Arbeitsumfeld und eine stärkere Bindung zwischen Arbeitgeber und Arbeitnehmer. Durch die kontinuierliche Schulung der Mitarbeiter werden nicht nur ihre Fähigkeiten verbessert, sondern auch ihre Motivation und Loyalität gegenüber dem Unternehmen gestärkt, was zu einer gesteigerten Produktivität führt.

In einer zunehmend globalisierten und wettbewerbsorientierten Stahlindustrie sind gut ausgebildete Arbeitskräfte von entscheidender Bedeutung. Der Erfolg eines Unternehmens hängt von den Entscheidungen ab, die von hochqualifizierten Fachkräften getroffen werden. In einem Umfeld, in dem technologische Innovationen und kontinuierliche Verbesserungen in der Produktion entscheidend sind, müssen Unternehmen sicherstellen, dass ihre Mitarbeiter nicht nur über das notwendige Wissen und die Fähigkeiten verfügen, sondern auch die Motivation haben, sich aktiv in den Innovationsprozess einzubringen.

Es ist auch von zentraler Bedeutung, dass Unternehmen in der Lage sind, die Balance zwischen Kostensenkungen und Produktivitätssteigerungen zu finden. Ein gut ausgebildeter Arbeitskräftebestand kann dabei helfen, den Einsatz von Technologie zu optimieren und gleichzeitig die Betriebskosten zu senken. Die Herausforderungen der Stahlindustrie erfordern daher nicht nur technologische Innovationen, sondern auch eine fundierte und kontinuierliche Investition in die Entwicklung des Humankapitals.

Insgesamt wird deutlich, dass die hohe Produktivität und das nachhaltige Wachstum eines Unternehmens nicht nur von den Technologien abhängen, die es einsetzt, sondern auch von der Qualität seiner Mitarbeiter und deren kontinuierlicher Entwicklung. Dies ist ein Aspekt, der in der modernen Stahlindustrie zunehmend an Bedeutung gewinnt und entscheidend für den langfristigen Erfolg von Unternehmen ist.

Wie beeinflussen Strömung und Wärmeübertragung die Vorwärmzeit von Schrott im Hochofen?

Die maximale Gasgeschwindigkeit (Umax) im Hochofen hängt wesentlich von den Abständen zwischen den Schrottstücken ab, wobei vertikale, horizontale und diagonale Abstände – bezeichnet als ST, SL und SD – entscheidend sind. Diese Geschwindigkeitsgröße ist bedeutsamer als die anströmende Grundgeschwindigkeit (U) zur Beschreibung der Wärmeübertragung. In der Literatur, insbesondere bei den umfassenden Untersuchungen von Kitaev et al. aus dem Zeitraum 1930 bis 1960, wurde die Wärmeübertragung in Schachtöfen intensiv analysiert. Ein Großteil dieser Studien stammt aus Russland und fokussiert sich auf Korrelationen zwischen dem Nusselt-Zahl (Nu) und der Reynolds-Zahl (Re). Furnas formulierte 1930 eine grundlegende Gleichung für Temperaturen über 1000 °C, die später modifiziert wurde. Diese Gleichung beschreibt den volumetrischen Wärmeübergangskoeffizienten (hv) in Abhängigkeit von Materialkonstanten, Gasgeschwindigkeit, Temperatur, Partikeldurchmesser und Porosität des Schrottbetts.

Wakao und Kollegen überarbeiteten diese Daten und entwickelten eine Gleichung für den Nusselt-Zahl-Bereich von Re = 15 bis 8500, die die Wärmeübertragung bei niedrigeren Temperaturen besser beschreibt. Der Wärmeübergang ist dabei stark von der Strömungsdynamik des Gases im Schacht abhängig.

Toulouesvki und Zinurov schätzten die Vorwärmzeit von Schrott in einem Quantum Electric Arc Furnace (EAF) und zeigten, wie sich verschiedene Parameter auf den Wärmeübergangsprozess auswirken. Mit realistischen Annahmen zu Geometrie, Schrottmasse, thermophysikalischen Eigenschaften von Gas und Schrott sowie Gasströmungsgeschwindigkeit errechneten sie eine mittlere Vorwärmtemperatur von etwa 400 °C. Die Berechnungen beruhen auf dem Prandtl- und Nusselt-Zahlenansatz, wobei die Wärmeübertragungskoeffizienten mit den Strömungsbedingungen korrelieren. Die modellierte Vorwärmzeit liegt im Bereich von 8 bis 14 Minuten, abhängig von den Anfangs- und Zieltemperaturen des Schrotts.

Besonders interessant ist die Auswirkung der Erhöhung der Einlasstemperatur des Gases auf die Vorwärmzeit. Bei einer Erhöhung der Gastemperatur und einer höheren Strömungsgeschwindigkeit kann der Wärmeübergangskoeffizient erheblich gesteigert werden, was die Vorwärmzeit auf etwa 5 Minuten verkürzt. Dies führt zu einer Erhöhung der Endvorwärmtemperatur des Schrotts von 700 auf etwa 800 °C, wobei eine teilweise Oxidation des Eisens (ca. 1,5 % in Fe3O4 umgewandelt) die notwendige elektrische Energie zum Schmelzen erheblich reduziert – um circa 145 kWh pro Tonne Schrott. Die thermodynamischen Berechnungen zeigen, dass der Gasbrenner für diese Vorwärmung eine Leistung von über 30 MW benötigt, was eine hohe Gasmenge und entsprechende Effizienz der Brenner voraussetzt.

Die Auswertung der Energieflüsse verdeutlicht die Einsparpotenziale bei einem effizienten Vorwärmen, sowohl hinsichtlich der verkürzten Schmelzzeit als auch der verminderten elektrischen Energiekosten. Das Quantum EAF kann durch den Einsatz spezieller Brenner die Vorwärmtemperatur deutlich erhöhen und somit die Produktivität steigern, die elektrische Energieaufnahme senken und die Transformatorleistung reduzieren.

Computergestützte Simulationen von Tang et al. erweiterten das Verständnis der Prozesse, indem sie den Schrott als poröses Medium betrachteten und mit komplexen Strömungs- und Strahlungsmodellen die Verbrennung und Wärmeübertragung simulierten. Das Modell berücksichtigte auch die Oxidationsreaktion des Eisens, die exotherm verläuft und die Schrotttemperatur weiter ansteigen lässt. Die Temperaturzunahme durch diese Reaktion beträgt in einer Stunde etwa 8 %, was zwar für die gesamte Schmelzdauer relevant ist, aber in kürzeren Zeitspannen von 10 Minuten nur etwa 3 % ausmacht.

Weitere Untersuchungen zeigten, dass die Oxidationsrate des Schrotts bei der Vorwärmung mit Nachverbrennungsgasen gering bleibt (ca. 0,2 %), was auf die kurze Verweildauer der Gase im Schrottbett zurückzuführen ist. Eine umfassende Modellierung von Chen et al. vertiefte die Analyse, indem sie verschiedene Parameter wie Brennerleistung, Schrottporosität und Blockaden im Schrottbett berücksichtigten und somit die Effizienz der Brenner und die Schmelzgeschwindigkeit noch genauer vorhersagen konnten.

Wesentlich für das Verständnis dieser Prozesse ist, dass der Wärmeübergang und die Gasströmung nicht isoliert betrachtet werden können. Die Geometrie des Schrottbetts, die Porosität, die Strömungsgeschwindigkeit und Temperaturprofile beeinflussen sich gegenseitig. Die Oxidation des Schrotts ist zwar exotherm und unterstützt die Temperaturerhöhung, doch hängt deren Effekt stark von der Verweilzeit des Gases und der Sauerstoffkonzentration ab. Die Energieeinsparungen durch Vorwärmung sind beträchtlich, aber die Effizienz der Brenner und die Kontrolle der Prozessparameter sind entscheidend für den tatsächlichen Nutzen.

Es ist von zentraler Bedeutung, die Balance zwischen Brennerleistung, Gasvolumenstrom und Schrottbettstruktur zu optimieren, um eine effektive und gleichmäßige Vorwärmung zu gewährleisten. Zudem sind genaue Kenntnisse der thermophysikalischen Eigenschaften von Schrott und Gas essentiell, um präzise Simulationen und Berechnungen durchzuführen. Nur so kann der energieintensive Schmelzprozess ökonomisch und ökologisch sinnvoll gestaltet werden.