Stahlinstitut VDEh https://vdeh.de/der-werkstoff/stahlherstellung/kohlenstoffbasierte-stahlerzeugung/ – 30.10.2024

Die Stahlerzeugung wird durch zwei wesentliche Verfahrensrouten gekennzeichnet: durch den Weg vom „Eisenerz zum Stahl“ und durch den Weg vom „Schrott zum Stahl“. Bei der eisenerzbasierten Route wird meistens aus oxydischen Eisenerzen im Hochofen, seltener in Schmelz-reduktionsanlagen Roheisen erzeugt, das im Sauerstoffkonverter zu Rohstahl verarbeitet wird. In Direktreduktionsanlagen aus Eisenerzen hergestellter Eisenschwamm (Direct Reduced Iron (DRI); Hot Briquetted Iron (HBI)) wird im Elektrolichtbogenofen zu Rohstahl umgewandelt. Bei der schrottbasierten Route wird durch Recyceln von Stahlschrott im Elektrolichtbogenofen Rohstahl hergestellt.

Um die Durchgasung der Schüttsäule im Hochofen zu gewährleisten, ist die Vorbereitung der Einsatzstoffe wichtig. Eisenerze werden in Form von Stückerzen, Sinter und Pellets eingesetzt. Stückerze sind bei den Eisenerzgruben natürlich abgebaute verwertbare Erze größerer Körnung. Bei den Eisenerzgruben fallen allerdings durch Aufbereitungs- und Anreichungsprozesse zur Anhebung des Eisengehaltes zunehmend sehr feinkörnige Erze an, die stückig gemacht werden müssen. Dies erfolgt durch Pelletieren und Sintern.

Beim Pelletieren werden Feinsterze (Pelletfeed) und Konzentrate mit Korngrößen von weit unter 1 mm zu Kügelchen von etwa 10 bis 15 mm Durchmesser geformt. Zu diesem Zweck wird die Erzmischung angefeuchtet und mit einem Bindemittel versehen. In Drehtrommeln oder auf Drehtellern werden dann die „Grünpellets“ geformt. Diese Grünpellets werden getrocknet und bei Temperaturen von mehr als 1000 °C gebrannt. Dies kann im Schachtofen, Drehrohrofen oder auf einem Wanderrost geschehen. Pelletieranlagen stehen in der Regel bei den Eisenerzproduzenten.

Die Sinterung (Sintern = Zusammenbacken) wird auf Sinteranlagen durchgeführt, die Bandbreiten von mehr als 4 m und Bandlängen von über 100 m aufweisen können. Für die Sinterung wird eine Mischung aus Feinerzen zusammen mit Koksgrus, Zuschlägen, Kreislaufmaterialien und Rückgut auf einen umlaufenden Rost, das Sinterband, gegeben und der in der Oberfläche enthaltene Koksgrus mit Gasflammen in einem Ofen gezündet. Ein Gas- bzw. Luftstrom wird von oben nach unten durch die Mischung gesaugt. Eine Wärmefront durchläuft so über die Bandlänge die ca. 500 mm dicke Schicht und bewirkt ein Zusammenbacken der Mischung zu groben Erzklumpen. Sinteranlagen stehen in der Nähe der Hochöfen auf dem Gelände der Stahlproduzenten.

Alle Eisenerze enthalten Sauerstoff, der im Hochofenprozess durch Reduktion entfernt werden muss. Dazu wird Kohlenstoff eingesetzt. Der wichtigste Kohlenstoffträger ist der Hochofenkoks, der heute in modernen, umweltfreundlichen Kokereien hergestellt wird. Unter Verkoken wird das Erhitzen von Kohle in Kokskammern unter Luftabschluss verstanden. Dabei werden die flüchtigen Bestandteile wie Koksofengas, Teer, Benzol, Schwefelwasserstoff, Ammoniak ausgetrieben, aufgefangen und anderer Verwendung zugeführt.

Zur Reduktionsgaserzeugung wird im unteren Teil des Hochofens 1200 °C heiße Luft eingeblasen. Der in diesem Bereich vorliegende Kokskohlenstoff vergast mit dem Sauerstoffgehalt der Luft zum Reduktionsgas Kohlenmonoxid und erzeugt dabei Temperaturen von bis zu 2200 °C. Das entstehende Gas steigt nach oben, bindet im Eisen enthaltenen Sauerstoff und erreicht damit die Reduktion der Erze. Die aufsteigenden Gase erwärmen die darüber liegende Beschickung. Die Begleitelemente der Einsatzstoffe bilden eine flüssige Schlacke und können so abgetrennt werden. Roheisen und Schlacke sammeln sich im unteren Bereich des Hochofens und verlassen den Hochofen über ein zu öffnendes Stichloch im unteren Bereich mit einer Temperatur von rund 1500 °C. Über ein feuerfest ausgekleidetes Rinnensystem werden Roheisen und Schlacke getrennt und den Roheisentorpedopfannen und Schlackenpfannen zugeführt.

Aus Gründen der Optimierung des Prozesses und der Senkung der Herstellungskosten werden als Koksersatz auch andere Kohlenstoffsträger, wie Kohle, Öl, Gas oder aufbereitete Altkunststoffe, in den Hochofen eingeblasen. Sein Betrieb ohne Koks ist allerdings nicht möglich. Der Koks behält in den Bereichen des Hochofens, in denen die Erze weich werden und schmelzen, seine feste Struktur bei. Er garantiert damit die Durchgasung und dient als Stützgerüst für die obere feste Beschickungssäule.

Große Hochöfen weisen Gestelldurchmesser von rund 15 m auf und haben ein Gesamtvolumen von rund 6000 Kubikmeter. Sie produzieren rund 13000 Tonnen Roheisen pro Tag oder mehr als 4 Millionen Tonnen Roheisen pro Jahr. Dafür müssen täglich große Materialströme bewegt und zugeführt werden, z.B.: 20800 Tonnen Eisenerze, 4300 Tonnen Koks, 1900 Tonnen Einblaskohle, 12 Millionen Kubikmeter Luft, die in Winderhitzern auf über 1200 °Celsius erhitzt werden. Weiterhin fallen täglich 3600 Tonnen Schlacke an, die überwiegend als Baustoff in der Zementindustrie oder im Straßenbau verwertet wird, sowie 18 Millionen Kubikmeter Hochofengas, das nach Reinigung energetisch genutzt wird.

Die Lebensdauer eines Hochofens, d.h. die Zeitspanne, bis seine feuerfeste Ausmauerung vollständig erneuert werden muss, beträgt heute 15 bis 20 Jahre.

Stähle auf der Basis von Schrott werden im Elektrolichtbogenofen erschmolzen. Der Lichtbogen überführt die elektrische Energie mit sehr gutem Wirkungsgrad und hoher Energiedichte in Schmelzwärme. Neben Schrott können auch Eisenschwamm (DRI oder HBI) sowie flüssiges oder festes Roheisen chargiert werden. Grundsätzlich kann über die Elektrolichtbogenofenroute, je nach Qualität des metallischen Einsatzes, jede Stahlsorte erzeugt werden.

Unterschieden wird zwischen Drehstrom- und Gleichstromlichtbogenofen. Allgemein hat der Drehstromofen einen deutlich höheren Verbreitungsgrad als der Gleichstromofen. Letzterer hat Vorteile hinsichtlich geringerer Netzrückwirkungen, geringerer Geräuschemissionen und des geringeren Elektrodenabbrands. Die Nachteile bestehen in der erforderlichen Sumpffahrweise und der aufwendigeren Elektrodenpflege.

Hinsichtlich Größe und Leistungsfähigkeit ist die Bandbreite der eingesetzten Öfen enorm. Die kleinsten Elektrolichtbogenöfen mit Abstichgewichten von 5 Tonnen Rohstahl arbeiten in der Gießereiindustrie. Die weltweit größten Elektrolichtbogenöfen aus der Stahlindustrie verfügen über Abstichgewichte von 300 Tonnen bei Jahresproduktionsmengen von 2,6 bis 2,8 Millionen Tonnen Rohstahl im Jahr. Dabei wird die Produktionskapazität mittelgroßer Blasstahlwerke erreicht. Je nach Größe und Konfiguration des Ofens können heute Energieverbräuche von 350 Kilowattstunden je Tonne Rohstahl bei tap-to-tap-Zeiten von 40 Minuten und Elektrodenverbräuchen von 1,1 Kilogramm je Rohstahl erzielt werden.

Die hohen Anforderungen an die modernen Stähle erfordern eine Nachbehandlung der in der Stahlpfanne bereitgestellten Schmelzen. Dies gilt sowohl für die Hochofen-Konverter-Route als auch für die Elektrolichtbogenofen-Route. Die wesentlichen Ziele dieser sekundärmetallurgischen Behandlung sind die Einstellung der chemischen Zusammensetzung des fertigen Stahls, der Gießtemperatur und des Reinheitsniveaus. Dabei sind im Einzelnen folgende Aufgaben zu unterscheiden:

• Legieren,
• Homogenisieren der Schmelze,
• Tief-Entkohlen,
• Entschwefeln,
• Entgasen,
• Desoxidieren und
• Abscheiden bzw. Konditionieren nichtmetallischer Einschlüsse.

Zur späteren Weiterverarbeitung wird der in der Sekundärmetallurgie erzeugte noch flüssige Stahl vergossen und erstarrt. Rund 96 Prozent des flüssigen Stahls wird in Deutschland heute in Stranggussverfahren verarbeitet, weltweit beträgt der Stranggussanteil ca. 93 Prozent. Der Rest wird in sogenannten Blöcken vergossen. Der Gießbetrieb liegt im Materialfluss eines Hüttenwerkes hinter dem Stahlwerk und vor den Weiterverarbeitungsbetrieben, den Walz- bzw. Schmiedewerken.