Titel:

Erhöhung der Energie- und Materialeffizienz der Stahlerzeugung im Lichtbogenofen durch optimiertes Wärmemanagement und kontinuierliche dynamische Prozessführung

Förderkennzeichen:

033R022 A-E

Laufzeit:

01.08. 2009 - 31.07.2012

Verbundpartner:

Georgsmarienhütte GmbH
Neue Hüttenstraße 1
49124 Georgsmarienhütte

VDEh-Betriebsforschungsinstitut GmbH
Sohnstraße 65
40237 Düsseldorf

Institut für Automatisierungstechnik
der Helmut-Schmidt-Universität Hamburg
Holstenhofweg 85
22043 Hamburg

Forschungsgemeinschaft Feuerfest e.V.
An der Elisabethkirche 27
53113 Bonn

Calderys Deutschland GmbH & Co. OHG  
In der Sohl 122
D-56564 Neuwied

Ziel des Vorhabens: 

Generelle Zielsetzung des Verbundvorhabens ist es, den elektrischen Energiebedarf des Lichtbogenofens zum Einschmelzen von Stahlschrott über eine Reduzierung der thermischen Verluste und die Nutzung der im Abgas enthaltenen Enthalpie deutlich zu verbessern. Ebenso soll über eine effiziente Nutzung der Ressourcen Erdgas und Sauerstoff und einer damit einhergehenden geringeren Verschlackung von Eisen und wertvollen, über den Schrott eingebrachten Legierungselementen die Materialeffizienz des Prozesses signifikant erhöht werden. Alle Maßnahmen werden an dem modernen Gleichstrom-Lichtbogenofen der GMH mit einer Anschlussleistung von 130 MVA und einem Abstichgewicht von 140 t umgesetzt.

Technologie:
Zur Verminderung der thermischen Verluste soll das Ofengefäß im Bereich der wassergekühlten Ofenwand zusätzlich mit einer feuerfesten Isolationsschicht versehen werden. Durch den im Vergleich zu den Stahl- oder Kupferrohren des Gefäßes deutlich geringeren Wärmedurchgangskoeffizienten lassen sich die Strahlung- und Konvektionsverluste erheblich reduzieren. Dazu ist ein Feuerfestmaterial mit geeigneten Eigenschaften auszuwählen bzw. weiter- oder neu zu entwickeln und auf den vorgesehenen Einsatzbereich anzupassen. Wesentliche Materialeigenschaften sind eine hohe Isolationswirkung (geringe Wärmeleitfähigkeit) bei gleichzeitig hoher thermischer Stabilität, eine sehr gute Beständigkeit gegenüber der Schlackeschmelze sowie exzellente thermomechanische Eigenschaften. Diese sollen eine ausreichend hohe mechanische Stabilität („Thermoschockbeständigkeit“) der Isolationsschicht während der raschen Temperaturwechsel im Betrieb wie auch innerhalb der Isolationsschicht zwischen heißer Ofeninnenseite und der wassergekühlten Ofenwand gewährleisten. Weiterhin ist ein ausreichend hoher Abrasionswiderstand erforderlich, um nicht von dem nachrutschenden Stahlschrott zerstört zu werden. Konstruktiv besteht die Forderung nach einem an die wassergekühlte Ofenwand angepassten thermischen Ausdehnungskoeffizienten.

Um nicht Betriebszeit durch eventuell notwendige Pflege mittels aufspritzen von Masse zu verlieren, ist an die Entwicklung von beim Hersteller gebrannten ff-Bauteilen gedacht. Hier soll eine Sandwich-Bauweise entwickelt werden, um den oben genannten vielfältigen Anforderungen gerecht werden zu können.

Gleichstrom-Lichtbogenofen der Georgsmarienhütte GmbH

Elektrische Leistungsregelung in Abhängigkeit von den Wandtemperaturen

Wärmemanagement für wassergekühlte Wandelemente

Eine weitere wesentliche Voraussetzung ist die Beherrschung frei brennender Lichtbögen. Diese geben einen Teil ihrer Leistung in Form von Strahlung ab, die innerhalb kurzer Zeit zu erheblichem Feuerfestverschleiß führt. Wenn es hierzu kommt, wird die Standzeit der vorgeschlagenen Ausmauerung unwirtschaftlich kurz. Ziel muss es daher sein, einen frei brennenden Lichtbogen schnell zu erkennen und geeignet darauf zu reagieren. Prinzipiell können frei brennende Lichtbögen während des gesamten Prozessverlaufes auftreten, prädestiniert sind jedoch das Ende der Einschmelzperiode, wenn das Schrotthaufwerk in sich zusammenfällt und noch keine schäumende Schlacke aufgebaut ist, sowie die Überhitzungsphase, wenn die schäumende Schlacke auf Grund der zu geringen Schlackenviskosität in sich zusammenfällt. Eine geeignete Reaktion auf einen frei brennenden Lichtbogen ist eine deutliche Reduzierung der Lichtbogenspannung und damit der Lichtbogenlänge. Gerade beim Gleichstrom-Lichtbogenofen lässt sich dies schnell und problemlos realisieren. Die Detektion eines frei brennenden Bogens erfolgt herkömmlich über den Anstieg der Kühlwassertemperatur.

Diese Art der Detektion ist bei Verwendung einer zusätzlichen Feuerfestausmauerung nicht mehr praktikabel. So gilt es ein Verfahren zu entwickeln, mit welchem ein frei brennender Lichtbogen frühzeitig erkannt wird. Dazu sollen kleinere wassergekühlte Elemente an exponierten Stellen (den so genannte Hot Spots) in das Gefäß, bzw. die Feuerfestausmauerung, integriert werden, die auf Grund ihrer geringen thermischen Trägheit eine schnelle Reaktion der Leistungsregelung auf die Lichtbogenstrahlung ermöglichen.

Der Lichtbogen weist ein charakteristisches Strahlungsspektrum auf. So ist es vorstellbar, ergänzend zum beschriebenen Temperaturelement, einen frei brennenden Lichtbogen über seine Lichtemission zu identifizieren. Diese sehr schnelle und verschleißfreie Messung stellt angesichts des geschlossenen Ofengefäßes und der unwirtlichen Ofenatmosphäre eine erhebliche Herausforderung dar. Andererseits lässt sich damit die Reaktionszeit nochmals verkürzen.

Zur Optimierung des chemischen Energieeintrags mit dem Ziel, das metallische Ausbringen des Schrotteinsatzes zu erhöhen und gleichzeitig die Energieverluste über das Abgas zu vermindern, soll eine Regelung der chemischen Energieträger über Erdgas-Brenner und Sauerstoff-Injektoren entwickelt werden. Basierend auf einer kontinuierlichen Messung der Abgaszusammensetzung wird detektiert, in welcher Menge die nicht vollständig verbrannten Komponenten CO und H2 im Ofenraum vorhanden sind. Darauf hin wird eine zusätzliche Sauerstoff-Zufuhr so geregelt, dass sich ein möglichst hoher Nachverbrennungsgrad und somit eine optimale Ausnutzung des chemischen Energieeintrags ergibt.

Optimierung der Sauerstoffzufuhr über Abgasanalyse

Parallel dazu soll die Sauerstoffzufuhr über eine modellbasierte Kohlenstoff- und Sauerstoffbilanz so geregelt werden, dass eine bedarfsgerechte Zufuhr in Abhängigkeit der chargierten Schrottsorten und der zugeführten Kohlenstoffträger erfolgt. Damit soll der Abbrand von Eisen und wertvollen Legierungselementen vermindert werden, und gleichzeitig eine Überoxidation der Schmelze mit erhöhtem Verbrauch an Desoxidations-Aluminium verhindert werden.

Die Abgasmesswerte werden neben den standardmäßig erfassten Prozessmesswerten zu den Material- und Energieeinträgen als zusätzliche Eingangsgrößen in ein dynamisches Prozessmodell für Massen- und Energiebilanzen des Lichtbogenofens eingebunden. Somit können in den Abgasmesswerten enthaltene Informationen über den aktuellen Prozesszustand kontinuierlich berücksichtigt werden. Diese modellbasierte Prozessführung wird noch um eine Bilanzierung des Sauerstoff- und des Kohlenstoffgehalts der Schmelze erweitert.

Ansprechpartner:

Georgsmarienhütte GmbH
Dipl.-Ing. Bernd Dettmer
Neue Hüttenstraße 1
49124 Georgsmarienhütte
Telefon: 05401-39-4747
Telefax: 05401-39-4058
E-Mail: bernd.dettmer@gmh.de

VDEh-Betriebsforschungsinstitut GmbH
Dr.-Ing. Bernd Kleimt
Sohnstraße 65
40237 Düsseldorf
Telefon: 0211-6707-385
Telefax: 0211-6707-310
E-Mail: bernd.kleimt@bfi.de

Institut für Automatisierungstechnik
der Helmut-Schmidt-Universität Hamburg
Prof. Dr.-Ing. Klaus Krüger
Holstenhofweg 85
22043 Hamburg
Telefon: 040- 6541-2722
Telefax: 040- 6541-2004
E-Mail: klaus.krueger@hsu-hh.de

Forschungsgemeinschaft Feuerfest e.V.
Dr.-Ing. Thomas Deinet
An der Elisabethkirche 27
53113 Bonn
Telefon: 0228-91508-37
Telefax: 0228-91508-55
E-Mail: deinet@feuerfest-bonn.de

Calderys Deutschland GmbH & Co. OHG  
Dr.-Ing. Patrick Tassot
In der Sohl 122
D-56564 Neuwied
Telefon: 02631-8604134
Telefax: 02631-98565134
E-Mail: patrick.tassot@calderys.com

BMBF: www.bmbf.de
Projektträger Jülich: www.fz-juelich.de/ptj
Förderschwerpunkt: www.r-zwei-innovation.de