Blog über Fortschritte in der Stahlindustrie: Verbesserung der Sinterqualität, Einsatz von Wasserstoff für Hochöfen

Stellen Sie sich einen Hochofen als einen massiven chemischen Reaktor vor, wobei gesintertes Erz als sein entscheidender Einsatzstoff dient. Wenn sich die Sinterqualität verschlechtert – vorzeitiges Zerbröseln oder Erweichen – kann dies die Gasflusskanäle blockieren, die Produktionseffizienz verringern und die Qualität des geschmolzenen Eisens beeinträchtigen. Dieser Artikel untersucht Methoden zur Qualitätsbewertung von gesintertem Erz, Optimierungsstrategien und die vielversprechende Anwendung der Wasserstoffmetallurgie in der Hochofen-Eisenherstellung, um Stahlherstellern zu helfen, Kosten zu senken, Effizienzsteigerungen zu erzielen und die Dekarbonisierung voranzutreiben.

Herausforderungen in der Hochofen-Eisenherstellung und die Bedeutung von Sinter

Die Stahlindustrie steht unter zunehmendem Druck durch schwankende Marktanforderungen und steigende Rohstoffkosten. Um sich anzupassen, setzen die Produzenten zunehmend Kostensenkungsmaßnahmen um, wie z. B. die Reduzierung der Koksraten bei gleichzeitiger Erhöhung der Kohle-Einspritzverhältnisse. Diese Strategien führen jedoch oft unbeabsichtigt zu einer Verschlechterung der Ofenpermeabilität durch unvollständige Kohleverbrennung (Erzeugung feiner Partikel) und erhöhte Schlackenvolumina.

Die Aufrechterhaltung einer optimalen Gasdurchlässigkeit ist für den Betrieb des Hochofens von grundlegender Bedeutung. Ein effizienter Gasfluss gewährleistet die ordnungsgemäßen Redoxreaktionen, maximiert die Brennstoffausnutzung und verbessert sowohl die Leistung als auch die Eisenqualität. Als primärer Ofeneinsatzstoff beeinflussen die physikalischen Eigenschaften des gesinterten Erzes – einschließlich der Partikelgrößenverteilung, der mechanischen Festigkeit und der Reduzierbarkeit – die Permeabilität im gesamten Ofenschacht direkt.

Wichtige Qualitätsindikatoren für Sinter

Eine umfassende Sinterbewertung erfordert die Überwachung dieser kritischen Parameter:

• Reduktionsdegradationsindex (RDI): Misst den Widerstand gegen Größenabbau während der Hochtemperaturreduktion. Höhere RDI-Werte weisen auf eine stärkere Feinstkornbildung hin, die den Gasfluss im oberen Ofen behindert.
• Erweichungs-Schmelzeigenschaften (S- und KS-Werte): S markiert die anfängliche Erweichungstemperatur, während KS die Aufrechterhaltung der Permeabilität unter Last bewertet. Optimale Werte gewährleisten die Bildung einer stabilen Kohäsionszone im unteren Ofen.
• Reduzierbarkeitsindex (RI): Quantifiziert die Reduzierbarkeit des Erzes. Während ein hoher RI die Kraftstoffeffizienz verbessert, korreliert er oft mit einem erhöhten RDI, was eine sorgfältige Abwägung erfordert.
• Trommelindex (TI): Beurteilt die mechanische Haltbarkeit während der Handhabung und Beschickung.
• Ganggehalt (Vg) und Schmelzpunkt (Tmg): Diese Nicht-Eisen-Bestandteile beeinflussen die Schlackenfließfähigkeit und die Ofenpermeabilität.

Strategien zur Verbesserung der Sinterqualität

Eine fortschrittliche Sinteroptimierung beinhaltet:

• Rohstoffmischung: Anpassen der Verhältnisse von Eisenerz, Flussmittel und Brennstoff zur Steuerung der chemischen Zusammensetzung und der Mineralphasen. Beispielsweise senken Kalksteinzusätze den RDI, während Kieselsäure den RI erhöht.
• Prozessparametersteuerung: Präzise Regulierung von Sintertemperatur, -dauer und -atmosphäre zur Entwicklung optimaler Porenstrukturen und Mineralansammlungen. Sauerstoffangereichertes Sintern verbessert die Produktivität und reduziert gleichzeitig den Brennstoffverbrauch.
• Innovative Technologien: Die Hybrid-Pellet-Sinter-Technologie (HPS) integriert pelletiertes Konzentrat in die Sintermischung und liefert stärkeren, besser reduzierbaren Sinter mit niedrigerem RDI – wie durch Probe D mit 40 Gew.-% hochwertigen Pellets gezeigt.

Anwendungen der Wasserstoffmetallurgie

Das Potenzial von Wasserstoff als sauberem, effizientem Reduktionsmittel verändert die Hochofenabläufe. Die Einspritzung von wasserstoffreichen Gasen (LNG, H ₂ ) ermöglicht:

• Koksersatz und CO ₂ Emissionsreduzierung
• Verbesserte Reduktionskinetik durch die überlegene Reduzierbarkeit von Wasserstoff
• RDI-Verbesserung durch Anti-Degradations-Effekte
• Breitere Erweichungsbereiche und bessere KS-Werte für eine geringere Ofenpermeabilität

Herausforderungen bleiben bestehen, einschließlich der Verbrennungssteuerung zur Verhinderung thermischer Schwankungen und der Minderung von Wasserstoffversprödung. Weitere Forschung zum Verhalten von Wasserstoff und zu Einspritzprotokollen ist für die vollständige Umsetzung unerlässlich.

Experimentelle Ergebnisse

Laborstudien, die hohe Kohleeinspritzung und wasserstoffreiche Bedingungen simulierten, zeigten:

• Wasserstoff senkte konsequent die RDI-Werte proportional zur Konzentration, wobei HPS-Sinter (Probe D) eine überlegene Anti-Degradations-Leistung zeigte.
• Wasserstoff erweiterte die Erweichungsintervalle und verbesserte die KS-Werte, was insbesondere schwächeren Sintern (A/B) im Vergleich zu stabilen Performern (C/D) zugute kam.

Zukünftige Richtungen

Fortschritte erfordern:

• Grundlagenforschung zu Wasserstoffreaktionen in Hochöfen
• Entwicklung von Sinterverfestigungstechniken der nächsten Generation
• Dynamische Optimierung von Betriebsparametern, die die Sintereigenschaften an die Wasserstoffeinspritzregime anpassen

Durch integriertes Sinterqualitätsmanagement und die Umsetzung der Wasserstoffmetallurgie kann die Stahlindustrie gleichzeitige Verbesserungen in Bezug auf Produktivität, Kosteneffizienz und Umweltleistung erzielen – und so den Weg für eine nachhaltige Eisenherstellung ebnen.