CONARC: Verschmelzung von Konverter und Lichtbogenofen für Überlegene Stahlproduktion

Der CONARC-Prozess für die Stahlerzeugung wurde von Mannesmann Demag Hüttentechnik (heute SMS Siemag) entwickelt. Ziel der Entwicklung war es, die Vorteile sowohl des konventionellen Obenblas-Konverterverfahrens als auch des Lichtbogenofens (EAF) zu nutzen. Der Name CONARC fasst die Fusion der beiden Prozesse zusammen (CONverter ARCing). Die Technologie basiert auf der verstärkten Verwendung von Roheisen im Lichtbogenofen und zielt darauf ab, die Energierückgewinnung zu optimieren und die Produktivität in einem solchen Betrieb zu maximieren. Der Prozess wurde für die Verwendung jeglicher Art und Mischung von Rohstoffen wie Roheisen, direkt reduziertem Eisen (DRI) und Schrott entwickelt, um höchste Qualitätsanforderungen für die Produktion aller Stahlsorten und -qualitäten abzudecken, die einen weiten Bereich von Kohlenstoffstählen bis zu Edelstählen umfassen. Je nach Anforderungen der Endprodukte wird der CONARC-Prozess von einem Pfannenofen oder einer Vakuumentgasungsanlage gefolgt.

Hauptausrüstung für den CONARC-Prozess

Die Grundausstattung des CONARC-Prozesses besteht aus zwei identischen feuerfest ausgekleideten Ofenschalen, einer schwenkbaren Elektrodenstruktur mit einem Elektrodensatz, der beiden Ofenschalen dient, einer elektrischen Versorgung (Transformator etc.) für beide Schalen und einem schwenkbaren wassergekühlten Oben-Sauerstofflanzensystem, das beiden Schalen dient. Alternativ können auch zwei stationäre Obenlanzen, eine für jede Ofenschale zum Sauerstoffblasen, verwendet werden. Optionen stehen für die Einführung von Bodenrühreinrichtungen zur Verfügung, die in den Boden jeder Ofenschale integriert sind. Optionen sind auch verfügbar, um Brenner- und Injektorsysteme in der Schale für die Einspritzung von Brennstoff, Kohlenstoff und Sauerstoff gemäß den Prozesserfordernissen einzuführen. Weitere wichtige Systeme umfassen Rohstoff- und Flussmittelzuführsysteme sowie Gasreinigungs- und Energierückgewinnungssysteme. Ein typischer Prozessablauf des CONARC-Prozesses ist in Abbildung 1 dargestellt.

Abb. 1 Prozessablauf des CONARC-Prozesses

CONARC-Prozess für Kohlenstoffstähle

Das Grundkonzept des CONARC-Prozesses besteht darin, die Entkohlung in einer Schale und das elektrische Schmelzen in einem anderen Gefäß durchzuführen. Der CONARC-Prozess für die Produktion von Kohlenstoffstählen ist in zwei Stufen unterteilt. Die erste Stufe besteht aus dem Konverterprozess, bei dem die Entkohlung von Flüssigeisen durch Einblasen von Sauerstoff in das Flüssigeisen durch die Obenlanze erfolgt. Die zweite Stufe ist der Lichtbogenprozess, bei dem elektrische Energie zum Schmelzen der festen Zuschlagstoffe und zum Überhitzen des flüssigen Bads auf Abstichtemperatur verwendet wird.

Der typische Prozess beginnt mit dem Laden von Flüssigeisen in eine „flüssige Sohle“, bestehend aus einem kleinen Teil der vorherigen Schmelze, der nach dem Abstich der vorherigen Wärme im Ofen gehalten wurde. Danach wird die Oben-Sauerstofflanze in Position gebracht und das Sauerstoffblasen initiiert. Während dieser als Konverterphase bekannten Phase werden der Gehalt an Kohlenstoff, Silizium, Mangan und Phosphor im Bad reduziert. Diese Reaktionen sind exotherm, da sie große Wärmemengen erzeugen. Kaltes Material wie Schrott oder DRI wird dem Ofen zugegeben, um diese Energie zu nutzen und eine Überhitzung des Bads zu vermeiden. Das Laden von kaltem Material schützt auch die Ofenschale vor Überhitzung. Nach Abschluss des Entkohlungprozesses wird die Obenlanze durch Schwenken entfernt und die Elektroden in Betriebsposition gebracht. Damit beginnt die zweite Phase, die als Lichtbogenphase bekannt ist. Während dieser Lichtbogenphase wird das verbleibende feste Zuschlagsmaterial wie Schrott oder DRI in das Bad geladen, um das gewünschte Abstichgewicht der Wärme zu erreichen. Die Badtemperatur wird dann auf den erforderlichen Wert erhöht. Nach Erreichen der Temperatur wird der Lichtbogen beendet und die Wärme vor dem Abstich in die Gießpfanne entschlackt.

Im CONARC-Prozess arbeitet von den zwei Ofenschalen eine Schale im Konvertermodus mit der Obenlanze, während die zweite Schale zu diesem Zeitpunkt im Lichtbogenofenmodus arbeitet. Das Prinzip des CONARC-Prozesses ist in Abbildung 2 dargestellt.

Abb. 2 Prinzip des CONARC-Prozesses

Energierückgewinnung

Ein zweistufiges Kesselsystem wird für die Abwärmerückgewinnung verwendet. In der ersten Stufe wird das Abgas aus dem CONARC-Prozess durch ein Kesselsystem geführt, bestehend aus einem Schwenkellenbogen, einer Nachverbrennungskammer und einer Heißgasleitung, und auf 600 °C abgekühlt. Diese Komponenten sind als Druckteile für die Dampferzeugung ausgelegt.

In der zweiten Stufe wird das Abgas in einem speziell für diese Anwendung entwickelten Vertikalrohrkessel auf 200 °C abgekühlt.

Dieses Energierückgewinnungssystem sorgt einerseits für die erforderliche Abgaskühlung und nutzt andererseits einen großen Teil der thermischen Energie zur Dampferzeugung, der im Stahlwerk weiter verwendet werden kann.

Vorteile

Der Prozess bietet folgende Vorteile:

• Hohe Flexibilität bezüglich Materialinput: Schrott, Flüssigeisen und DRI können in verschiedenen Mischungsverhältnissen gemäß den Anforderungen der Stahlqualität und/oder Verfügbarkeit und/oder Stückpreise dieser Materialien verwendet werden.
• Das CONARC-Konzept erlaubt es diesem Prozess, den gesamten Bereich von reinem EAF-Betrieb mit 100 % Schrott/100 % DRI bis hin zu reinem Konverterbetrieb abzudecken.
• Der CONARC-Ofen ist nicht nur eine reine Schmelzeinheit, sondern fungiert auch als chemischer Reaktor. Daher kontrolliert er die Konzentration von Begleitelementen im Stahl durch den erhöhten Einsatz von Primärmaterialien.
• CONARC-Prozess ist flexibel und kann Flüssigeisen mit wechselndem Silizium-, Phosphor- und Schwefelgehalt problemlos verarbeiten.
• CONARC-Prozess bietet auch Vorteile bei der Behandlung von Roheisen mit höherem Phosphorgehalt (bis zu 0,2 %). Mehrere Aspekte wie einfache Temperaturkontrolle durch Zugabe von DRI als Kühlmittel, Zugabe von Kalk sowie der Abzug phosphorreicher Schlacke durch konstanten Schlackenüberlauf über die Schlackentür helfen, eine effiziente Phosphorentfernung zu erreichen.
• Abstich-zu-Abstich-Zeiten von weniger als 40 Minuten sind leicht erreichbar.
• Große Flexibilität bezüglich Energieressourcen.
• Effizientes Energierückgewinnungssystem reduziert CO₂-Emissionen.
• Effektives Energierückgewinnungssystem des Prozesses leistet einen signifikanten und nachhaltigen Beitrag zur Energieeffizienz des Stahlwerks.
• Glatte Netzstörungen.