Materialeffizienz der Stahlerzeugung im Lichtbogenofen

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1 EMELO (FKZ 022) Erhöhung der Energie- und Materialeffizienz der Stahlerzeugung im Lichtbogenofen Bernd Dettmer, Georgsmarienhütte GmbH, Georgsmarienhütte Bernd Kleimt, VDEh-Betriebsforschungsinstitut GmbH, Düsseldorf Klaus Krüger, Helmut-Schmidt-Universität, Hamburg Thomas Deinet, Forschungsgemeinschaft Feuerfest e.v., Bonn Patrick Tassot, Calderys Deutschland GmbH, Neuwied Ralf Pierre VDEh Betriebsforschungsinstitut GmbH Düsseldorf Ralf Pierre, VDEh-Betriebsforschungsinstitut GmbH, Düsseldorf 2. r²-statusseminar, Oktober 2011 in Berlin

2 Inhalt Einführung: Aufgabenstellung und Ziele des Vorhabens Potenzial zur Einsparung von Energie und Rohstoffen Stand der Arbeiten und ausstehende Schritte Verbreitungspotenzial der Forschungsarbeiten 2

3 Einführung: Prozessbeschreibung Elektrolichtbogenofen zur Rohstahlerzeugung auf Schrottbasis In Deutschland werden etwa 30 % des Rohstahls (ca. 13 Mio. Tonnen pro Jahr) über das Elektrostahl-Verfahren hergestellt Im Lichtbogenofen wird größtenteils t Stahlschrott eingesetzt, der mittels elektrischer und chemischer Energie eingeschmolzen wird Der Lichtbogenofen besteht aus einem mit Feuerfestmaterial ausgemauertem Gefäß mit aufgesetzten wassergekühlten Wand- elementen und Deckel Der Einschmelzvorgang wird beendet, wenn Zieltemperatur und Zielanalyse der Stahlschmelze erreicht sind 3

4 Einführung: Aufgabenstellung Der Eintrag von chemischer Energie (Kohlenstoff, Erdgas und Sauerstoff) verursacht insbesondere durch die Sauerstoffzufuhr einen unerwünschten Abbrand der metallischen Einsatzstoffe (Eisen und Legierungselemente) Ein zu hoher Sauerstoffgehalt (Überoxidation) der Stahlschmelze hat einen erhöhten Bedarf von Desoxidations- und Legierungsmitteln zur Folge % des gesamten Energieeintrags gehen im Abgasstrom verloren Unvollständige Verbrennung von Kohlenstoff zu CO Über die wassergekühlten Wandelemente treten insbesondere bei frei brennendem Lichtbogen erhebliche thermische Verluste auf Detektion eines frei brennenden Lichtbogens über den Anstieg der Kühlwassertemperatur unterliegt einer relativ hohen Verzögerung 4

5 Einführung: Ziele des Verbundvorhabens Verbesserung der Materialeffizienz durch eine optimierte Prozessführung mit einer angepassten Sauerstoffzufuhr basierend auf einem dynamischen Prozessmodell zur Echtzeitbeobachtung des aktuellen Kohlenstoffgehalts Optimierung des metallischen Ausbringens der Rohstoffe Roheisen, Stahlschrott und Legierungsmittel Minimierung des Desoxidationsmittelverbrauchs Verbesserung der Energieeffizienz durch die gezielte Zufuhr von zusätzlichem Sauerstoff zur Unterstützung der Nachverbrennungsreaktion im Ofeninnenraum Entwicklung eines photobasierten Sensors zur Detektion eines frei brennenden Lichtbogens, Einbindung des Signals in eine Leistungsregelung Einsatz von neu entwickeltem Feuerfestmaterial an ausgewählten Wandelementen zur Reduzierung der thermischen Verluste 5

6 Potential zur Einsparung von Energie und Rohstoffen Erhöhung des metallischen Ausbringens um 10 kg/t Stahl Einsparung von Desoxidations- und Legierungsmittel von 1,2 kg/t Stahl Verminderter Verbrauch der chemischen Energieträger Erdgas um 1,25 Nm 3 /t Stahl und Sauerstoff um 5 Nm 3 /t Stahl Verminderung des elektrischen Energiebedarfs um bis zu 50 kwh/t Stahl Einsparung pro Jahr Bei GMH (Elektrostahlproduktion 0.95 Mio. t/a): o t Stahlschrott / t Aluminium und Legierungsmittel o 48 Mio. kwh elektrische Energie In Deutschland (Elektrostahlproduktion 13 Mio. t/a): o t Stahlschrott / t Aluminium und Legierungsmittel o 650 Mio. kwh elektrische Energie 6

7 Stand der Arbeiten: Entwicklung des Prozessmodells Anpassung und Erweiterung eines existierenden dynamischen Prozessmodells basierend auf Massen- und Energiebilanzen um eine detaillierte Kohlenstoff- bilanz für den Lichtbogenofen Validierung des dynamischen Prozessmodels auf Basis von Prozessdaten des Lichtbogenofens der GMH Implementierung des dynamischen Modells zur Echtzeitbeobachtung b bei GMH 7

8 Stand der Arbeiten: Validierung des Prozessmodells Standardabweichung des Modellfehlers nach Adaption des Modells für den Kohlenstoffgehalt: % Zusammenhang zwischen Eisenverschlackung und Kohlenstoffgehalt der Stahlschmelze Verminderung der Eisenverschlackung durch Erreichen des Ziel-Kohlenstoff-Gehalts ohne Überoxidation 8

9 Stand der Arbeiten: Einbau von Sauerstoff- Diffusoren zur Regelung der Nachverbrennung 9

10 Stand der Arbeiten: Regelung der Nachverbrennung im Lichtbogenofen Entwicklung und Implementierung einer Regelung für die Zufuhr von Nachverbrennungssauerstoff auf Basis der vorhandenen Abgasanalyse Der gesamte Eintrag von Sauerstoff ist konstant geblieben Durch den effizienteren Eintrag von Nachverbrennungssauerstoff konnte der elektrische Energieverbrauch bereits um 25 kwh/t Stahl gesenkt werden 10

11 Stand der Arbeiten: Entwicklung photobasierter Sensor (1) Lichtbogen Elektrode Wassergekühlte Box Sensor 1 Sensor 2 Einbau des Sensors Einbau zweier Spektrometer in einer wassergekühlten Box über der Ofentür 12 In Spione eingebaute Linsen, die mit Stickstoff gespült werden Ofentür Ausrichtung auf den Lichtbogen Stahlbad, zweiter Korb Stahlbad, erster Korb 11

12 W n C eistung in MW ratur-20)*10 in LB-Index El. Le (Temper Stand der Arbeiten: Entwicklung photobasierter Sensor (2) Leistung Kühlwasser LB-Index 0 16:15 16:30 16:45 17:00 17:15 17:30 17:45 18:00 Uhrzeit am Über den berechneten Lichtbogenindex erkennt man einen frei brennenden Lichtbogen Die Erkennung über den Anstieg der Kühlwassertemperatur erfolgt verzögert zu dem LB-Index Ziel der schnelleren Detektion eines frei brennenden Lichtbogens für die Leistungsregelung wurde erreicht 12

13 Stand der Arbeiten: Entwicklung Feuerfestmaterial (1) Anforderungsprofil an das Feuerfestmaterial Hohe Isolationswirkung i / geringe Wärmeleitfähigkeit i Hohe thermische und mechanische Stabilität Beständigkeit gegenüber Schlacke Hoher Abrasionswiderstand Verfahren zum Testen des Feuerfestmaterials Korrosionstest im Induktionstiegelofen mit Stahl und Schlacke von GMH Hochtemperatur-Strahlverschleißtest Wärmeleitfähigkeitsmessung (Heißdrahtmethode) Druckerweichungs- / Druckfließverhalten 13

14 Stand der Arbeiten: Entwicklung Feuerfestmaterial (2) Korrosionstest im Induktionstiegelofen Hochtemperatur-Strahlverschleiß-Test 14

15 Stand der Arbeiten: Einbau und Einsatz des Feuerfestmaterials am Ofen der GMH Die Kühlwassertemperatur war im Vergleich zu den benachbarten Wandelementen wesentlich geringer Montagekonzept verursacht Spannungsrisse im Feuerfestmaterial 15

16 Nächste Schritte im Vorhaben Sicherstellung der korrekten Datenversorgung des Echtzeitmodells zur Berechnung des aktuellen Kohlenstoffgehalts h lt Integration der Modellberechnungen in das bestehende Prozessführungssystem zur Steuerung der Sauerstoffzufuhr Erhöhung der Zufuhr von Nachverbrennungssauerstoff über die Diffusoren Verbesserung der Betriebssicherheit des Sensors zur Detektion eines frei brennenden Lichtbogens (Ziel: Standzeit 1 Monat) Überarbeitung der Befestigungskonstruktion für das Feuerfestmaterial an den Wandelementen 16

17 Verbreitungspotenzial der Forschungsarbeiten 1. Implementierung der dynamischen Prozessführung bzgl. des chemischen Energieeintrags an weiteren Lichtbogenöfen (21 Elektrostahlhersteller in Deutschland) 2. Anwendung des Konzepts aus Feuerfest-Isolation der wassergekühlten Wandelemente mit Detektion frei brennender Lichtbogen und Leistungsregelung bei weiteren Lichtbogenöfen 3. Übertragung der Ergebnisse auf kleinere Lichtbogenöfen Gießereiöfen Legierungsmittelherstellung (z.b. Ferrochrom) 4. Einsatz der neuen Feuerfest-Werkstoffe weitere schmelzmetallurgische Anlagen Anlagen zur thermischen Entsorgung Zement- und Glasindustrie i 17