Wie sich die Herausforderungen für die Elektrolichtbogenofen-Technologie (EAF) in der Stahlproduktion entwickeln

Die Stahlindustrie ist im Wandel. Mit zunehmenden Anforderungen an Nachhaltigkeit und Energieeffizienz gewinnt die Elektrolichtbogenofen-Technologie (EAF) als eine der umweltfreundlicheren Methoden zur Stahlherstellung immer mehr an Bedeutung. Besonders die Umstellung von Hochofen-auf-EAF-Technologien bietet Potenzial zur Reduktion der CO2-Emissionen, wobei es jedoch zahlreiche technische und ökonomische Herausforderungen gibt, die es zu überwinden gilt.

In der Diskussion über die Optimierung der EAF-Technologie taucht immer wieder der Begriff "Heißmetall" auf. Obwohl es als mögliche Schrottalternative in Betracht gezogen wurde, war der Einsatz von Heißmetall im EAF aufgrund der begrenzten Sauerstoffinjektionstechnologie lange nicht verbreitet. Erst nach zwei Jahrzehnten hat sich dieser Ansatz in begrenztem Umfang durchgesetzt. Darüber hinaus sind die Herausforderungen in Bezug auf den Stromverbrauch und die Effizienz nicht zu unterschätzen. Die Stahlindustrie verbrauchte 1984 137,4 TWh an Strom. Trotz der Verdopplung der EAF-Kapazität würde dieser Stromverbrauch weniger als 1% der gesamten US-amerikanischen Erzeugungskapazität ausmachen, was auf die hohe Verfügbarkeit von elektrischer Energie hinweist.

Ein weiteres viel diskutiertes Thema in der Stahlproduktion ist die Herstellung von Direktreduktions-Eisen (DRI) als Ersatz für Schrott. In Ländern wie China, wo Stahlproduktion weitgehend über den Hochofenprozess läuft, könnte die DRI-Produktion in den nächsten Jahrzehnten massiv steigen. Derzeit wird DRI in China zu rund 3 Millionen Tonnen jährlich produziert, aber die Prognosen gehen davon aus, dass diese Zahl bis 2050 auf bis zu 50 Millionen Tonnen steigen könnte. Diese Steigerung wird jedoch nur dann realisierbar sein, wenn hochwertige Eisenerzreserven in ausreichender Menge verfügbar sind.

Die Erschöpfung der hochwertigen Eisenerzvorkommen stellt ein weiteres Problem dar. Der Gehalt an Eisen in den Erzvorkommen ist in den letzten Jahrzehnten stetig gesunken, während die Konzentration unerwünschter Elemente wie Phosphor gestiegen ist. Dies erfordert eine zunehmende Nutzung von niedrigwertigem Erz, was zusätzliche Prozesse zur Entfernung der Verunreinigungen nötig macht. Eine mögliche Lösung könnte in der Direktreduktion mit Wasserstoff liegen, da dieser Prozess die CO2-Emissionen im Vergleich zur traditionellen Reduktion drastisch senken kann. Die schrittweise Einführung solcher Technologien könnte dazu beitragen, die Stahlproduktion bis 2050 zu einem viel nachhaltigeren Prozess zu machen.

Der steigende Preis und die begrenzte Verfügbarkeit von Stahlschrott machen es notwendig, alternative Materialien wie DRI zu verwenden, um den Bedarf an Eisen im EAF zu decken. Dies könnte langfristig zu einem Ungleichgewicht zwischen Schrottbedarf und -verfügbarkeit führen, was die Stabilität der Stahlproduktion gefährden könnte.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Elektrifizierung der Stahlproduktion eine der vielversprechendsten Lösungen zur Reduktion von CO2-Emissionen darstellt. Doch die Herausforderungen sind vielfältig. Die Produktionskapazitäten für DRI müssen ausgebaut werden, die Qualität der Eisenerzvorkommen bleibt ein Unsicherheitsfaktor, und die Verfügbarkeit von Stahlschrott wird zunehmend problematisch. Diese Themen werden in den kommenden Jahren die Stahlindustrie maßgeblich prägen, da Lösungen gefunden werden müssen, um die Umstellung auf eine nachhaltigere Produktion voranzutreiben.

Wie die Wasserkühlung in Elektroofenschmelzanlagen die Effizienz steigern kann

Ein wesentlicher Faktor für den Verschleiß von Elektroden ist die Oxidation, deren Geschwindigkeit mit steigender Temperatur zunimmt. Um die Oxidation zu verlangsamen, wird Wasser mit einem Volumenstrom von etwa 1 m³ pro Stunde pro Elektrode über deren Spitze abgeführt. Dieses Wasser verdampft bei Temperaturen von rund 1000 °C, wobei der Energieaufwand für die Verdampfung etwa 600 kWh/m³ beträgt. Eine wichtige Überlegung bei dieser Methode ist jedoch die Wirtschaftlichkeit: Der Energieverbrauch für das Verdampfen des Wassers ist in der Regel höher als die Einsparungen durch eine reduzierte Elektrodenabnutzung. Daher muss der Nutzen der Wasserkühlung in Bezug auf die Elektrodenkosten und den Energieverbrauch stets kritisch geprüft werden.

Auch die Kühlung von Sauerstofflanzen, die in der Stahlproduktion weit verbreitet ist, erfordert eine kontinuierliche Wasserkühlung, um die hohen Temperaturen der Düsen zu regulieren. In modernen EAF-Anlagen werden sogenannte kohärente Jets eingesetzt, die am Boden des Ofens fixiert sind. Diese Technik wurde weiterentwickelt, um die Kühlkapazität der Lanzen zu optimieren. Ein verbessertes Design, das beispielsweise 180°-Bögen in den Wasserleitungen vermeidet, hat dazu geführt, dass die maximale Temperatur der Lanzen auf 170 °C gesenkt werden konnte, was die Lebensdauer der Lanzen signifikant verlängert.

Es gibt auch Bestrebungen, Wasser durch andere Kühlmittel zu ersetzen, insbesondere aufgrund der Gefährdung von Explosionen, die auftreten können, wenn Wasser bei Rissen in den Kühlpaneelen mit flüssigem Stahl in Kontakt kommt. Ein vielversprechender Ansatz zur Lösung dieses Problems ist die Verwendung von ionischen Flüssigkeiten, die bei Temperaturen bis zu 200 °C stabil sind und für kurze Zeiträume sogar bis 250 °C verwendet werden können. Diese Flüssigkeiten sind nicht korrosiv, nicht brennbar und weisen eine ähnliche dynamische Viskosität wie Wasser auf. Trotz dieser Vorteile sind die Kosten für diese Flüssigkeiten jedoch deutlich höher als die von Wasser, was ihre breite Anwendung in der Industrie bisher einschränkt.

Alternativ wurden auch Nanofluid-Ansätze untersucht, bei denen Wasser mit kleinen Nanopartikeln, wie beispielsweise Alumina, angereichert wird. Diese Nanopartikel erhöhen die Wärmeübertragungsfähigkeit des Wassers und verbessern somit die Effizienz des Kühlprozesses. Solche Nanofluid-Technologien könnten zukünftig eine kosteneffiziente Alternative darstellen, um die Kühlleistung zu optimieren und gleichzeitig die Betriebskosten zu senken.

Es ist von entscheidender Bedeutung, diese fortlaufenden Entwicklungen zu verfolgen, um die Effizienz der Elektroofenschmelzanlagen weiter zu verbessern und gleichzeitig die Kosten zu optimieren. Der Übergang zu innovativen Kühltechnologien könnte langfristig zu einer nachhaltigeren und kostengünstigeren Produktion in der Stahlindustrie führen.

Wie lassen sich Energieverluste im Lichtbogenofen realistisch bestimmen?

Die größte Unsicherheit entsteht durch die Definition selbst: Energieverluste werden oft pauschal als Residuum zwischen Energieeintrag und messbarem Energiegehalt des flüssigen Stahls angegeben. Diese methodische Abkürzung führt dazu, dass unterschiedlichste thermische Beiträge – ob messbar oder nicht – gemeinsam als unspezifischer „Verlust“ subsumiert werden. Darunter fallen etwa die durch Strahlung verlorene Energie während der Lichtbogenphase, Verluste während Chargierpausen, konvektive Wärmeabgabe an die Ofenwände, Abwärme im Ofenstaub oder durch das Öffnen der Ofenhaube beim Schrottchargieren.

Im Detail betrachtet, besteht der Energieeintrag aus elektrischer Energie sowie aus chemischer Energie, die ihrerseits durch Oxidationsreaktionen – sowohl im flüssigen Stahl als auch an den Elektroden – sowie durch Verbrennungsprozesse (z. B. organische Anhaftungen im Schrott oder Gasbrennerbetrieb) gespeist wird. Die Energieausträge sind noch vielfältiger: Sensible Wärme im flüssigen Stahl, in der Schlacke, im Abgas und im Staub, endotherme Reaktionen in der Schlackenzusammensetzung, Strahlungsverluste während des Betriebs oder Stillstands, Energieverluste durch Wasserkühlung und nicht zuletzt durch das Abfließen des flüssigen Stahls beim Abstich.

Besonders problematisch ist die Phase zwischen den aktiven Leistungsphasen: Während des sogenannten „Power-off“ entstehen nicht unerhebliche Energieverluste durch Wärmestrahlung aus dem flüssigen Bad – Verluste, die schwer zu erfassen sind, aber dennoch bis zu 0,5 kWh pro Tonne und Minute betragen können. In Anbetracht typischer Stillstandszeiten von bis zu elf Minuten ergibt sich daraus ein relevanter Gesamtverlust. Gleiches gilt für das Schrottaufladen, bei dem durch Öffnen des Ofens erhebliche Mengen an gespeicherter Wärme entweichen.

Trotz dieser Schwierigkeiten ist es unerlässlich, die Komponenten des Energieverlustes so differenziert wie möglich zu erfassen. Dafür ist messtechnische Präzision erforderlich: Chemische Zusammensetzung der Einsatzstoffe, exakte Mengen der entstehenden Schlacke, genaue Volumenströme und Temperaturen des Abgases, die Effizienz der Nachverbrennung, die thermische Leistung der Gasbrenner – all diese Informationen sind notwendig, um ein belastbares Energiebild zu erzeugen. Fehlen diese Angaben oder werden sie nur ungenau erfasst, bleibt die Bilanzierung spekulativ.

Realistische Energieverluste im EAF lassen sich nur dann ermitteln, wenn sie konsequent auf jene Ströme beschränkt bleiben, die das System verlassen, ohne rückgewonnen zu werden – sei es über die Atmosphäre, das Kühlwasser oder mechanisch entfernte Stoffströme wie Schlacke und Staub. Jegliche Form potenzieller Wärmerückgewinnung muss aus der Verlustrechnung herausgenommen werden, um nicht nur technisch, sondern auch thermodynamisch konsistent zu bleiben.

Die Gefahr liegt in der konzeptionellen Unschärfe des Begriffs „Wärmeverlust“. Denn je nach zugrundeliegender Definition variiert auch die Höhe der bilanzierten Verluste erheblich. Studien, die signifikante Abweichungen im Verlustanteil berichten – etwa 33 % für Wasserkühlung, 29 % durch Ofenöffnungen und 18 % durch Abgas – zeigen die Spannbreite der Ergebnisse, offenbaren aber auch deren begrenzte Aussagekraft, wenn methodische Details fehlen.

Ein tieferes Verständnis für den Energiehaushalt des EAF verlangt deshalb nicht nur ein konsistentes thermodynamisches Modell, sondern vor allem präzise messtechnische Datenerfassung und -validierung. Nur auf dieser Grundlage kann ein realistisches Bild der energetischen Effizienz gezeichnet werden – und nur dann lassen sich Maßnahmen zur Optimierung auch gezielt und wirksam implementieren.

Eine konsequente Abgrenzung zwischen nutzbarer Prozessenergie und irreversiblen Verlusten ist unerlässlich, um einerseits eine transparente Bilanz zu erstellen und andererseits konkrete Potenziale zur Energieeinsparung identifizieren zu können. Ohne diese Differenzierung bleibt die Diskussion um Energieeffizienz im EAF weitgehend akademisch – mit geringen praktischen Auswirkungen auf Betrieb, Steuerung und Nachhaltigkeit der Stahlproduktion.

Wie beeinflusst der Sauerstoffinjektionswinkel die Stahlproduktion?

Eine der wichtigsten Erkenntnisse aus der Forschung ist die Bedeutung des Injektionswinkels der Sauerstoffdüsen. Es wurde festgestellt, dass eine Erhöhung des Injektionswinkels zur horizontalen Oberfläche eine tiefere Penetration des Sauerstoffstrahls in das flüssige Stahlbad zur Folge hat. In verschiedenen Studien wurde der Neigungswinkel der Düse von 15° bis 90° variiert, wobei eine Erhöhung des Winkels die Eindringtiefe des Sauerstoffs in das flüssige Metall verbessert. Dabei ist zu beachten, dass auch die Beschaffenheit der Schlackenschicht eine Rolle spielt. In einigen Studien wurde festgestellt, dass die Schlackenschicht die Eindringtiefe verringern kann, da ein Teil der Impulsenergie des Sauerstoffstrahls in die Schlacke dissipiert wird. Andere Untersuchungen, wie die von Cao et al., haben zudem gezeigt, dass die Schlackenschicht den Spritzvorgang des Sauerstoffs einschränken kann.

Ein weiterer wichtiger Einflussfaktor auf die Sauerstoffinjektion ist die Strömungsdynamik des flüssigen Stahls. Die Geschwindigkeit des flüssigen Stahls, die durch den Sauerstoffstrahl induziert wird, kann zwischen 0,6 und 2 cm/s liegen, abhängig von verschiedenen Parametern wie der Gasströmungsrate, der Anzahl der Injektoren und der Art der Düse. Diese Strömungsgeschwindigkeiten beeinflussen direkt die Effizienz der Sauerstoffinjektion und damit den Dekarburisierungsprozess.

Die Thermodynamik der Dekarburierung unter Sauerstoffinjektion folgt spezifischen Regeln. Der Sauerstoffgehalt im Stahl kann mit Hilfe der Fe–O-Gleichgewichtskurve berechnet werden, die die Löslichkeit von Sauerstoff im flüssigen Eisen in Abhängigkeit von der Temperatur beschreibt. Bei höheren Temperaturen steigt die Löslichkeit von Sauerstoff im Eisen, wobei sie bei 1600°C maximal 0,23% beträgt und bei 1800°C auf 0,48% ansteigt. Die Dekarburierung, die hauptsächlich durch die Reaktion von Sauerstoff mit gelöstem Kohlenstoff erfolgt, folgt verschiedenen Reaktionsmechanismen, die miteinander konkurrieren. Ein wichtiger Aspekt bei der Dekarburierung ist, dass bei höheren Kohlenstoffkonzentrationen die Konzentration von CO₂ vernachlässigbar wird und CO die primäre Produktform bleibt.

Ein zentraler Faktor bei der Dekarburierung von Stahl ist das Kohlenstoff-Sauerstoff-Gleichgewicht, das durch die Reaktion C + O → CO(g) beschrieben wird. Die Thermodynamik dieser Reaktion, basierend auf der Gibbs’schen Energie, bestimmt die Verteilung von Kohlenstoff und Sauerstoff im System. Unter den Bedingungen der Stahlherstellung lässt sich das Gleichgewicht leicht mit einem Modell beschreiben, das die Aktivitäten von Kohlenstoff und Sauerstoff im flüssigen Stahl berücksichtigt.

Es ist auch wichtig zu betonen, dass die Wechselwirkungen zwischen flüssigem Stahl und Schlacke einen erheblichen Einfluss auf den Dekarburierungsprozess haben. Schlackenkomponenten können den Transport von Sauerstoff beeinflussen, indem sie die Reaktionen verlangsamen oder sogar hemmen. Diese physikalischen und chemischen Prozesse müssen bei der Optimierung von Sauerstoffinjektionen in der Stahlproduktion berücksichtigt werden.