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

Generelle Zielsetzung des Verbundvorhabens war es, die Ressourcen- und Energieeffizienz und damit auch die Produktivität des Lichtbogenofen-Prozesses zu erhöhen. Zum einen sollte durch ein verbessertes Wärmemanagement mittels einer optimierten Zustellung des Ofens mit feuerfesten Materialien und eine verbesserte Prozessführung der elektrische Energiebedarf des Lichtbogenofens über eine Reduzierung der thermischen Verluste und die Nutzung der im Abgas enthaltenen Enthalpie deutlich vermindert werden. Zum anderen sollte durch den gezielten Einsatz von Sauerstoff das metallische Ausbringen des Prozesses erhöht werden.

Die Hauptziele des Forschungsprojekts konnten weitestgehend erreicht werden. Durch den Einsatz spezieller Diffusoren im Lichtbogenofen der Georgsmarienhütte GmbH wird zusätzlicher Sauerstoff gezielt zur Nachverbrennung des chemischen Energieträgers CO im Ofeninnenraum eingebracht. Die Steuerung der Sauerstoffzufuhr erfolgt dabei basierend auf der kontinuierlichen Analyse des Ofenabgases. Dies führt zu einer signifikanten Einsparung an elektrischer Energie. Es konnte weiterhin gezeigt werden, dass die Erkennung eines frei brennenden Lichtbogens während der gesamten Schmelze durch photobasierte Sensoren realisiert werden kann. Der Zeitgewinn gegenüber herkömmlichen Detektions-methoden liegt dabei zwischen 30 s und 2 min. Mittels einer speziell angefertigten wassergekühlten Box konnte ein ausreichender Schutz der Gerätschaften vor den thermischen und mechanischen Belastungen sowie der stark staubhaltigen Ofenatmosphäre erreicht werden. In der experimentellen Phase war ein Dauerbetrieb der Messeinrichtung über vier Wochen möglich. Weiterhin ließ sich nachweisen, dass auch durch den Einsatz zusätzlicher Feuerfestbauteile an der Ofeninnenwand die Energieverluste über die wassergekühlten Ofen-Panels reduziert werden können.

Beide Maßnahmen führen somit zu einer weiteren Energieeinsparung. Durch die optimierte Prozessführung basierend auf einem hinsichtlich der Berechnung des aktuellen Kohlenstoff- und Sauerstoffgehalts der Schmelze erweiterten Prozessmodells kann über eine gezielte Sauerstoffzufuhr in der Endphase des Prozesses das Ausbringen von Eisen und wichtiger Legierungselemente erhöht werden. Gleichzeitig wird eine Überoxidation der Schmelze verhindert, was zu einem geringeren Verbrauch von Desoxidationsmitteln führt.Die einzelnen Komponenten zur Verbesserung der Prozessführung und zur Optimierung des Wärmemanagements wurden im Laufe des Vorhabens an dem Gleichstrom-Lichtbogenofen der Georgsmarienhütte GmbH (GMH) mit einem Abstichgewicht von rund 150 t implementiert und in umfangreichen Betriebsversuchen getestet.

Die Forschungsarbeiten des Verbundvorhabens zur Erhöhung der thermischen Effizienz des Lichtbogenofens und zur verbesserten Prozessführung haben das Potenzial, die Energie- und auch die Materialeffizienz der Elektrostahlerzeugung signifikant zu verbessern. Die erwartete Steigerung der Energieeffizienz und des metallischen Ausbringens, sowie der Minderverbrauch an Desoxidations- und Legierungsmitteln können wie folgt beziffert werden:Durch eine gezielte Zufuhr von chemischer Energie über Nachverbrennungs-sauerstoff auf Basis einer kontinuierlichen Abgasanalyse lassen sich die Energieverluste über das Ofenabgas um bis zu 25 % vermindern. Dies führte am Ofen der GMH zu einer Einsparung von elektrischer und chemischer Energie von rund 20 kWh/t Rohstahl. Die Abwärmeleistung der wassergekühlten Ofenwand beträgt beim untersuchten Ofen im Mittel rund 5 MW. Durch die mit Hilfe des photobasierten Sensors frühzeitige Erkennung eines frei brennenden Lichtbogens und das Einbringen von zusätzlichen Feuerfestbauteilen an ausgewählten, thermisch besonders stark belasteten Elementen der Ofenwand ist eine Verminderung der Abwärmeverluste um etwa 10 % möglich, was zu einer Energieeinsparung von bis zu 5 kWh/t führt.Der verringerte elektrische Energiebedarf zieht durch die bei konstanter Leistung verminderte Stromflusszeit automatisch eine Verkürzung der Behandlungszeiten von etwa 5 Minuten und damit verbunden einer zusätzlichen Energieeinsparung von etwa 5 kWh/t nach sich. Durch die Verminderung des elektrischen Energieverbrauchs konnte die Stromflusszeit am Ofen der GMH um 2 Minuten verringert werden. Durch einen gezielteren Einsatz von Sauerstoff über eine modellgestützte und auf einer Abgasanalyse basierenden Prozessführung kann das metallische Ausbringen von Eisen um etwa 1 % erhöht werden. Weiterhin kann der Sauerstoffgehalt der Schmelze besser kontrolliert werden, was zu einem Minderverbrauch von bis zu 10 % von Desoxidations-Aluminium führen kann. Weiterhin führen diese Maßnahmen zu einem geschätzten Minderverbrauch an Sauerstoff von bis zu 2 Nm³/t.