Introduction
- Eisen, Gusseisen und Stahl werden oft verwechselt.
- Eisen ist ein chemisches Element, das für die Zusammensetzung von Gusseisen und Stahl verwendet wird.
- Gusseisen und Stahl werden hauptsächlich aus Eisenerz hergestellt, enthalten aber auch andere Bestandteile und werden durch ihren Kohlenstoffgehalt unterschieden:
Gusseisen enthält 2,1-7 % Kohlenstoff.
Stahl enthält 0,03-2 % Kohlenstoff.
- Stahl wird in Gebäuden, Fahrzeugen und Maschinen verwendet.
- Die weltweite Rohstahlproduktion ist seit dem letzten Jahrhundert rasch gestiegen:
40 Mio. Tonnen im Jahr 1900 und 1,8 Gt im Jahr 2018.
Das größte Stahlerzeugerland China produziert etwa 900-950 Mio. t/a.
Deutschland produziert etwa 40 Mio. Tonnen Stahl pro Jahr und liegt damit auf Platz acht der Weltrangliste.
reduktion von eisenoxid
- Ziel der Reduktion ist die Abtrennung des Sauerstoffs vom Eisen.
- Dies kann mit Hilfe von Reduktionsmitteln geschehen.
- Bei entsprechender Temperatur besitzt das Reduktionsmittel eine höhere Affinität zu Sauerstoff als das Eisen selbst.
- Kohlenstoff ist aufgrund seiner geringen Kosten das gebräuchlichste Reduktionsmittel.
- Kohlenstoff wird auch zur Erzeugung von Wärme im Prozess eingesetzt.
- Wasserstoff besitzt ein höheres Reduktionspotenzial und ermöglicht eine CO2-freie Reduktion.
Steelmaking – with and without coal
Blast furnace („Hochofen“)
Blast furnace: direct and indirect reduction
- Der Kohlenstoff im Koks hat zwei Funktionen:
- Chemische Funktion als Reduktionsmittel
- Thermische Funktion als Wärmespender
- Wenn der Kohlenstoff in den Tuyeres (1900 °C) verbrennt und CO erzeugt, reduziert das Gas Eisenoxid durch indirekte Reduktion, wobei nur ein Sauerstoffatom des Oxids wird durch ein Kohlenstoffatom entfernt.
- Wird das Oxid dagegen im unteren Teil des Ofens auch direkt durch Kohlenstoff reduziert, so reduziert das entstehende CO das Oxid reduziert. Ein Kohlenstoffatom entfernt zwei Sauerstoffatome aus dem Erz.
- Daher verbessert die Direktreduktion die chemische Ausnutzung des Kohlenstoffs.
- Allerdings ist die Direktreduktion stark endotherm, was den thermischen Wirkungsgrad senkt.
- Maximal 4,3 Gew.-% des Kohlenstoffs können in Eisen gelöst werden, was den Schmelzpunkt von Roheisen senkt.
- Durch den Kontakt wird der Kohlenstoff im Roheisen auf dem Sättigungsniveau gelöst.
Oxygen converter (sometimes also called BOF: Basic Oxygen Furnace)
- Oxidation von unerwünschten Chemikalien:
- Kohlenstoff (C)
- Schwefel (S)
- Phosphor (P)
- Mangan (Mn)
- Silizium (Si)
- Titan (Ti)
- SiO2 und TiO2 sind sehr stabile Verbindungen, so dass Si und Ti im Roheisen in der Frühphase der Stahlerzeugung als Oxide entfernt werden.
- Für die Oxidationsreaktionen wird gasförmiger Sauerstoff bereitgestellt.
- Es ist nur die Reaktion mit dem im flüssigen Metallbad gelösten Sauerstoff zu berücksichtigt.
- Gasförmiger Sauerstoff ohne Bedeutung
Oxy converter
• Roheisen, Schrott (Kühlzweck), Kalk (Schlackenbildner).
• Sauerstoffzufuhr mittels eines wassergekühlten Blasrohrs (6-10 bar).
• Gasstrahl und das gebildete CO sorgen für Durchmischung.
• An der Grenzfläche Metall zu Oxid oxidiert das FeO die Begleitelemente Si, Mn und P.
• Zur Verschlackung der Oxide wird CaO zugesetzt.
• Der verbliebene Kohlenstoff reagiert mit dem im flüssigen Eisen gelösten O2 zu CO.
• Der im flüssigen Stahl gelöste Sauerstoff verursacht bei der Erstarrung des Stahls schädliche oxidische Einschlüsse, daher muss flüssiger Stahl desoxidiert werden (mit Aluminium).
• Der C-Gehaltsinkt auf 0,05 wt.-%.
Direct Reduced Iron (DRI) = sponge iron
Vorteile
der DR-Verfahren gegenüber der Eisenerzeugung im Hochofen sind:
- Wegfall der Abhängigkeit von Kokskohle.
- Kleinere Modulgröße und geringere Gesamtinvestitionen (optimal dimensionierte DR-Anlagen sind weniger kapitalintensiv als Hochöfen).
- Höhere Umweltfreundlichkeit.
- Einfachere Prozesssteuerung und verbesserte Prozessmanövrierbarkeit in den meisten Fällen.
Beschränkungen
von DR-Prozessen sind:
- Das Endprodukt ist ein Feststoff und muss geschmolzen werden.
- Die Größe der einzelnen Module ist relativ klein, so dass die Vorteile von Skaleneffekten im Betrieb fragwürdig werden (spezifische Investition ~220-250 US$ pro Jahrestonne Produkt im Vergleich zu ~120-150 US$ pro Tonne für Hochöfen Hochöfen von größerer Größe).
- Geringe Produktivität in Bezug auf das Einheitsvolumen des Reaktors/der Reaktoren.
- Geringer Kohlenstoffgehalt im Endprodukt (was in einigen Fällen zu Schwierigkeiten bei der nachfolgenden Stahlerzeugung führen kann)
Electric arc furnace (EAF) (Lichtbogenofen)
Nach dem DRI-Prozess wird in der Regel ein Elektrolichtbogenofen (EAF) eingesetzt der nächste Schritt:
- Zugabe von Stahlschrott zu Eisenschwamm (DRI).
- Die Energiezufuhr zum DRI erfolgt über Elektroden, die hohe Spannungen erzeugen
die zu Lichtbögen führen.
- Lichtbögen weisen eine Temperatur von bis zu 8000 °C auf.
- Der Reaktorinhalt (Temperatur des Roheisens) liegt bei etwa 3000 °C, und Sauerstoff wird der Schmelze zugeführt.
- Häufig werden 75 % Stahlschrott, 15 % DRI (oder HBI) und 10 % Roheisen verwendet.
- Die Chargengröße beträgt bis zu 300 t.
- Aufgrund der Verfügbarkeit von Strom und Schrott praktisch überall, wurden weniger kapitalintensive „Mini-Stahlwerke“ populär.
- Sie werden hauptsächlich zur Herstellung von Qualitätsstahl eingesetzt.
Electric arc furnace: advantages
Vorteile des Einsatzes von EAF für die Stahlerzeugung:
- Unabhängigkeit von Koks.
- Die Bandbreite des eingesetzten Materials wechselt zwischen 100 % Stahlschrott und 100 %
DRI (erlaubt 100 % Metallschrott als Einsatzmaterial).
- Geringerer Energiebedarf im Vergleich zur Primärmetallurgie aus Erzen.
- Flexibilität im Betrieb:
- schnelles Start-Stopp-Verhalten,
- einfache Anpassung des Betriebs an den Bedarf.
- Hoher (thermischer) Wirkungsgrad.
- Die Herstellung von Stahl im Elektrolichtbogenofen führt zu geringeren Kohlendioxidemissionen von
rund 0,6 t CO2 / t produziertem Stahl, was deutlich niedriger ist als bei der konventionellen Produktion über Hochöfen und Sauerstoffblasöfen.
The potential of hydrogen for decarbonizing steel production
- Die Eisen- und Stahlindustrie ist aufgrund des massiven Einsatzes von Kohle für fast 10 % der weltweiten CO2-Emissionen verantwortlich.
- Beim derzeitigen Preisniveau würde der Ersatz von Kohle durch Wasserstoff den Preis für eine Tonne Stahl um etwa ein Drittel in die Höhe treiben.
Diese Lücke wird sich in den kommenden Jahren wahrscheinlich verringern und könnte bis 2030 verschwinden, da die Preise für Kohlenstoff und Kohlenstoffemissionen die Kosten in die Höhe treiben könnten, während auf der anderen Seite die sinkenden Kosten für Strom aus erneuerbaren Energien, Effizienzgewinne durch die Produktion von Wasserstoff in größerem Maßstab und die Optimierung der wasserstoffbasierten die Kosten für diese Alternative senken.
- Die Erzeugung der für eine vollständige Dekarbonisierung der Stahlindustrie erforderlichen Mengen an Wasserstoff würde eine Steigerung der Stromerzeugung in der Größenordnung von 20 % erfordern, was einen noch ehrgeizigeren Ausbau der erneuerbaren Energien über den Ersatz der derzeitigen fossilen Stromerzeugung hinausgeht.
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