Direktreduziertes Eisen (DRI): Produktionstechniken und industrielle Prozesse

Direktreduziertes Eisen und seine Produktionsprozesse

Direktreduziertes Eisen (DRI) ist das Produkt, das durch direkte Reduktion von Eisenerz oder anderen eisenhaltigen Materialien im festen Zustand unter Verwendung von nicht verkokendem Kohle oder Erdgas entsteht. Prozesse, die DRI durch Reduktion von Eisenerz unterhalb des Schmelzpunkts von Eisen herstellen, werden als Direktreduktions-(DR-)Prozesse bezeichnet. Die Reduktionsmittel sind Kohlenmonoxid (CO) und Wasserstoff (H₂), die aus reformiertem Erdgas, Synthesegas oder Kohle stammen. Eisenerz wird meist in Pellet- und/oder Brockenform eingesetzt. Sauerstoff (O₂) wird durch chemische Reaktionen basierend auf H₂ und CO aus dem Eisenerz entfernt, um hochmetallisiertes DRI zu produzieren.

Im Direktreduktionsprozess wird festes metallisches Eisen (Fe) direkt aus festem Eisenerz gewonnen, ohne dass Erz oder Metall geschmolzen werden. Direkte Reduktion kann als Reduktion im festen Zustand bei O₂-Potentialen definiert werden, die Reduktion von Eisenoxiden, aber nicht von anderen Oxiden (MnO, SiO₂ etc.) zu den entsprechenden Elementen erlauben. Da die Reduktion im festen Zustand stattfindet, besteht kaum Chance, dass sich diese Elemente (bei niedriger thermodynamischer Aktivität) im reduzierten Eisen lösen, so dass die stabileren Oxide im Wesentlichen unreduziert bleiben.

DRI hat eine poröse Struktur, da es durch Entzug von O₂ aus Eisenerz entsteht. Es wird auch Schwammeisen genannt, da seine Struktur wie ein Schwamm mit einem Netzwerk verbindender Poren ist. Diese Poren ergeben eine innere Oberfläche, die ca. 10.000-mal größer ist als die von festem Eisen.

DRI wird in vielen Formen produziert: Brocken, Pellets, heißgebrikettiertes Eisen (HBI), Feinstäube, kaltgebrikettiertes Eisen (CBI). HBI und CBI sind verdichtete DRI-Formen zur Erleichterung von Handhabung und Transport. HBI wird durch Verdichten von DRI unter sehr hohem Druck bei Temperaturen über 650 °C hergestellt. Dies schließt viele Poren und begrenzt die für Reaktionen mit Luft verfügbare Kontaktfläche. Es erhöht auch die Wärmeleitfähigkeit.

Eisengehalt und Metallisierungsgrad

Der Eisengehalt im DRI liegt in zwei Formen vor: (i) metallische Form – metallisches Eisen, Fe (M), (ii) Rest-Eisenoxide, Fe (O). Das Gesamteisen, Fe (T), ist die Summe dieser beiden Komponenten. Metallisches Eisen ist die Gesamtmenge an Eisen, entweder frei oder mit Kohlenstoff verbunden (als Zementit), im DRI. Der Metallisierungsgrad des DRI misst die Umwandlung von Eisenoxiden in metallisches Eisen (frei oder als Zementit) durch O₂-Entzug durch das Reduktionsmittel. Er wird in Prozent der Masse des metallischen Eisens geteilt durch die Masse des Gesamteisens definiert.

Geschichte der DR-Prozesse

Das erste Patent für DRI-Produktion war 1792 in Großbritannien – vermutlich mit Drehrohofen. Die Entwicklung moderner DR-Prozesse begann Mitte des 19. Jahrhunderts. Seit 1920 wurden mehr als 100 DR-Prozesse erfunden und betrieben. Die meisten haben nicht überlebt. Das moderne Zeitalter der DRI-Produktion begann am 5. Dezember 1957, als das HYL-Prozesswerk bei Hylsa die Produktion aufnahm. Die erste Midrex-Anlage ging am 17. Mai 1969 bei Oregon Steel Mills in Portland in Betrieb. Der kohlebasierte Drehrohrprozess kombiniert den Republic Steel-National Lead (RN)-Prozess (1920er für Aufbereitung minderwertiger Erze) und den Stelco-Lurgi (SL)-Prozess (frühe 1960er für hochwertiges DRI).

DRI-Produktionsprozess

Der DRI-Produktionsprozess umfasst das innige Mischen von vorbereitetem (größenklassiertem) Eisenerz mit einem Reduktionsmittel, dasgenerally auch zur Beheizung des Erzbetts auf die für ausreichende Reduktionsraten nötige Temperatur dient. Das Reduktionsmittel kann gasförmig oder fest sein. Haupt-DRI-Produktionsprozesse sind entweder erdgasbasiert oder kohlebasiert. Einsatzmaterial für den DR-Prozess: entweder größenklassiertes Eisenerz (10–30 mm) oder Eisenerzpellets (8–20 mm) aus einer Pelletieranlage.

Der gasbasierte Prozess nutzt einen Schachtofen für die Reduktionsreaktion. Der kohlebasierte Prozess nutzt einen von vier Reaktortypen: (i) Drehrohrofen, (ii) Schachtofen, (iii) Wirbelschichtreaktor, (iv) Drehherdofen. Drehrohrofen ist der beliebteste Reaktor für den kohlebasierten Prozess.

Das Prinzip der Direktreduktion von Eisenerz ist in Abbildung 1 dargestellt.

Abb. 1 Prinzip der Direktreduktion von Eisenerz

Das Prinzip des Direktreduktionsprozesses ist in Abbildung 2 dargestellt.

Abb. 2 Prinzip des Direktreduktionsprozesses

Gasbasierter Prozess

Bei gasbasierten Reduktionsprozessen wird ein vertikaler Schachtofen verwendet, in den Eisenerz oben beschickt wird und fertiges Schwammeisen unten nach Kühlung (zur Verhinderung von Reoxidation) entnommen wird. Das Reduktionsgas wird durch das Erzbett geleitet, und das Abgas wird nach Erhitzen und Reformieren zu einer H₂/CO-Mischung im Reformer, wo es auch auf 950 °C erhitzt wird (Temperatur für ausreichende Reduktionsreaktionsraten), rezirkuliert. Der Schachtofen arbeitet nach dem Gegenstromprinzip: Eisenerz bewegt sich durch Schwerkraft nach unten und wird durch aufsteigende Reduktionsgase reduziert.

Im gasbasierten DR-Prozess werden gasförmige Brennstoffe verwendet, die die Fähigkeit haben müssen, zu reformieren oder zu cracken, um ein H₂/CO-Gemisch zu erzeugen. Methanreiches Erdgas ist das am häufigsten verwendete Gas. Erdgas wird reformiert, um mit H₂ und CO angereichert zu werden, und dieses angereicherte, reformierte Gasgemisch wird vorgeheizt und in den Schachtofen geleitet.

Der gasbasierte Prozess ist einfach zu bedienen und umfasst drei Hauptschritte: (i) Eisenerzreduktion, (ii) Gasvorwärmung, (iii) Erdgasreformierung. Mittlerweile gibt es auch gasbasierte Prozesse, bei denen die Erdgasreformierung nicht erforderlich ist.

Das Herzstück des gasbasierten Prozesses ist der Schachtofen. Ein zylindrisches, feuerfest ausgekleidetes Gefäß und Schlüsselkomponente der Direktreduktion. Er ist flexibel und vielseitig. Er kann Erdgas, Synthesegas aus Kohle, Koksofengas oder Abgas aus dem Corex-Prozess als Reduktionsgas nutzen.

Die Reduktionsreaktionen finden sowohl mit H₂ als auch mit CO statt. Reaktionen mit H₂: (i) 3Fe₂O₃ + H₂ = 2Fe₃O₄ + H₂O, (ii) Fe₃O₄ + H₂ = 3FeO + H₂O, (iii) FeO + H₂ = Fe + H₂O. Reaktionen mit CO: (i) 3Fe₂O₃ + CO = 2Fe₃O₄ + CO₂, (ii) Fe₃O₄ + CO = 3FeO + CO₂, (iii) FeO + CO = Fe + CO₂.

Gasbasiertes DRI unterliegt keiner magnetischen Separation, da keine Kontamination mit nicht-magnetischen Materialien möglich ist. Der gasbasierte Prozess ist flexibel, drei verschiedene Produktformen herzustellen: kaltes DRI, HBI oder heißes DRI.

Drei populäre gasbasierte Prozesse: (i) HYL-Prozess, (ii) Midrex-Prozess, (iii) PERED-Prozess. Die neueste Version des HYL-Prozesses ist der Energiron-Prozess. Fließschema in Abbildung 3.

Abb. 3 Fließschema des Energiron-Prozesses

Fließschema des Midrex-Prozesses in Abbildung 4.

Abb. 4 Fließschema des Midrex-Prozesses

Kohlebasierter Prozess

Beim kohlebasierten Prozess ist der Reaktor für die Reduktionsreaktion ein leicht zur Horizontalen geneigter Drehrohrofen. Die Direktreduktion erfolgt bei Betriebstemperaturen von 1000–1100 °C. Im Drehrohrofen werden sowohl Kohle als auch Eisenerz vom selben Ofenende beschickt. Während der Vorwärtsbewegung des Beschickungsmaterials wird die Oxidationsreaktion von Kohlenstoff in der Kohle und die Reduktionsreaktion von CO-Gas sorgfältig ausbalanciert. Ein Temperaturprofil von 800–1050 °C wird entlang der Ofenlänge in verschiedenen Zonen aufrechterhalten, und während das Material durch Schwerkraft abfließt, wird das Erz reduziert. Die grundlegenden Reduktionsreaktionen: (i) C + O₂ = CO₂, (ii) CO₂ + C = 2CO, (iii) 3Fe₂O₃ + CO = 2Fe₃O₄ + CO₂, (iv) Fe₃O₄ + CO = 3FeO + CO₂, (v) FeO + CO = Fe + CO₂.

Das Ofenprodukt (DRI und Koks-Gemisch) wird dann in einem Drehkühler mit externer Wasserkühlung auf 100–200 °C abgekühlt. Nach Austrag wird gesiebt und magnetisch separiert. DRI ist magnetisch und wird von nicht-magnetischem Koks getrennt. Das getrennte DRI wird in zwei Größenfraktionen +3 mm und -3 mm gesiebt. -3 mm-Fraktion wird manchmal mit hydratisiertem Kalk und Melasse als Bindemittel gebrikettiert. Fließschema des kohlebasierten DR-Prozesses in Abbildung 5.

Abb. 5 Fließschema des kohlebasierten Drehrohrofenprozesses für DRI-Produktion

Eigenschaften von DRI

Vergleich der Eigenschaften von kohlebasiertem und gasbasiertem DRI in Tabelle 1.

Nicht machbar

Tabelle 1 Vergleich von kohlebasiertem und gasbasiertem DRI
Nr.	Merkmal	Einheit	Kohlebasiert	Gasbasiert
1	Kohlenstoffgehalt	%	0,2–0,25	1,2–2,5
2	Produktgröße		variabel	einheitlich
3	Materialzustand		stabil	Anfällig für Reoxidation
4	Schüttdichte	t/m²	1,6–2,0	1,5–1,9
5	Nichtmetallische Bestandteile	%	0,3–0,5	Keine
6	Metallisierungsgrad	%	86–92	85–93
7	HBI-Produktion		Machbar

Vergleich der Zusammensetzung in Tabelle 2.

Tabelle 2 Vergleich der Zusammensetzung von kohlebasiertem und gasbasiertem DRI
Nr.	Merkmal	Einheit	Kohlebasiert	Gasbasiert
1	Metallisches Eisen	%	80–84	83–86
2	Oxid	%	6–9	5–8
3	Kohlenstoff	%	0,2–0,25	1,2–2,5
4	Gangart	%	3–4	2–6
5	Flussmittel	%	1–3	0–3
6	Schwefel	%	0,02–0,03	0,05–0,25
7	Phosphor	%	0,04–0,07	0,03–0,08
8	Restbestandteile	%	0,3–0,5	0,02–0,05

Vorteile von DRI

Die Vorteile von DRI: (i) ermöglicht Verdünnung metallischer Reststoffe im Schrott während der Stahlherstellung, (ii) als Fertigprodukt hat es einheitliche Zusammensetzung, (iii) einheitliche Größe, (iv) niedriger Schwefel- und Phosphorgehalt im Vergleich zu Schrott, (v) bei Beschickung in den Hochofen mit anderen Möllermaterialien verbessert es die Hochofenproduktivität.