Wesentliche Materialien für die Stahlerzeugung im Basissauerstoffkonverter

Materialien für die Stahlerzeugung im Basissauerstoffkonverter (LD-Konverter)

Für die Erzeugung von Flüssigstahl im LD-Konverter (Basic Oxygen Furnace – BOF) werden folgende Materialarten benötigt (Abb. 1):

• Grundrohstoffe: Roheisen, Schrott, Kalk etc.
• Zusatzrohstoffe: Entschwefler, Aufkohler.
• Versorgungsgase: Sauerstoff, Stickstoff, Argon etc.
• Feuerfestmaterialien: Auskleidung, Ausbesserungsmassen, Stopfmaterialien.
• Verbrauchssonden: Temperatursonden, Probenahmesonden.
• Kühlwasser: für Sauerstofflanze und Abgase.

Abb. 1 Materialien für die Stahlerzeugung im Basissauerstoffkonverter

Grundrohstoffe

Zu den Grundrohstoffen für die Stahlerzeugung im LD-Konverter gehören: (i) Roheisen aus dem Hochofen, (ii) Stahlschrott und/oder andere metallische Eisenquellen, (iii) Eisenerz, (iv) Flussmittel. Schrott wird als erstes aus einer Schrottbox in den Konverter geladen. Anschließend wird das Roheisen aus der Roheisenpfanne in den Konverter gegossen, worauf das Sauerstoffblasen beginnt. Flussmittel (meist in Brockenform) werden nach Beginn des Sauerstoffblasens über ein Bunkersystem in den Konverter dosiert. Sie können auch in Pulverform durch Bodenblasdüsen eingeblasen werden. Zusammensetzung und Mengen der Grundrohstoffe variieren je nach Stahlwerk, Verfügbarkeit und Prozessökonomie.

Roheisen (Flüssiges Eisen)

Primäre Eisen- und Energiequelle. Roheisen wird in offenen oder Torpedopfannen aus dem Hochofen geliefert. Bei offenen Pfannen wird Roheisen in einen Mischer gegossen, um die Temperatur vor der Verwendung im Konverter zu halten. Typische chemische Zusammensetzung: 3,8–4,5 % C, 0,5–1,5 % Si, 0,25–1,5 % Mn, 0,05–0,15 % P, 0,03–0,08 % S.

Schwefelgehalt kann in einer Roheisenentschwefelungsanlage auf 0,001 % gesenkt werden. Die Zusammensetzung hängt von Hochofenbetrieb und -beschickung ab. Kälterer Hochofenbetrieb → niedrigerer Si, höherer S. Hoher P in der Hochofenbeschickung → hoher P im Roheisen.

Kohlenstoff und Silizium sind die Hauptenergieträger. Hohe Roheisensilizium erhöht die Wärmeerzeugung durch Oxidation → mehr Schrott ladbar. Si beeinflusst auch Schlackenvolumen, Kalkverbrauch und Eisenergieausbeute.

Roheisen ist meist kohlenstoffgesättigt; C-Gehalt hängt von Temperatur und Konzentration anderer Elemente (Si, Mn) ab. C steigt mit Temperatur und Mn, sinkt mit Si.

Temperatur und C-Gehalt des Roheisens beim Einleeren in den Konverter sind für die Prozesssteuerung entscheidend. Temperatur wird meist in der Roheisenpfanne vor dem Laden gemessen: typisch 1300–1350 °C.

Entschwefelung wird durch hohe Temperaturen und niedrige Sauerstoffpotenziale begünstigt. Vorhandensein von C und Si erhöht die Schwefelaktivität → verbessert Entschwefelung. Daher sind niedriges Sauerstoffpotenzial und hohe C/Si-Gehalte günstiger für Entschwefelung im Roheisen als im Konverter. Nicht alles Roheisen wird entschwefelt – nur für Stähle mit strengen S-Spezifikationen. Entschwefelungsreagenzien senken S auf 0,001 %, typisch 0,004–0,005 %. Wichtig: Die nach der Entschwefelung anfallende Schlacke (hoher S-Gehalt) muss durch Abschieben effektiv entfernt werden. In den Konverter mitgeführte Schlacke führt dort zu Schwefelrückaufnahme im Flüssigstahl.

Wiegen des Roheisens erfolgt auf einer Waage vor dem Einleeren. Genaues Gewicht ist essenziell für Abschlagchemie, -temperatur und -wärmegröße. Auch wichtiger Input für das statische Ladungsmodell.

Schrott

Zweitgrößte Eisenquelle nach Roheisen. Schrott ist recyceltes Eisen/Stahl: im Werk anfallend (Strangpressabfälle, Walzwerkschrott, Rückgewinnungsschrott, Instandhaltungsschrott) oder extern zugekauft.

Verschiedene Schrottsorten müssen in korrekten Mengen in die Schrottbox geladen werden, um den gewünschten Schrottmix zu erfüllen. Schrottbox wird gewogen, um exakte Schrottmenge zu kennen. Schrottmix und -gewicht sind kritische Parameter; andernfalls leidet der Abschlag.

Leichter Schrott wird vorne, schwerer hinten in der Box geladen. Beim Kippen landet leichter Schrott zuerst im Konverter – schont die feuerfeste Auskleidung. Schwerer Schrott schmilzt schwerer; oben liegend ist er näher am Sauerstoffstrahl und schmilzt schneller. Zu große Schrottstücke werden durch Scheren, Brennschneiden oder Sauerstofflanzen zerkleinert. Dünne, kleine Stücke (Blechabfälle, Stanzabfälle) werden zu Ballen gepresst. Normalerweise sind größere, schwere Stücke schwerer zu schmelzen. Nicht geschmolzener Schrott verursacht Prozessprobleme (hohe Temperaturen, verfehlte Chemie).

Kombiniertes Blasen (Top/Bottom) verbessert Durchmischung und Schmelzen großer Schrottstücke. Bestimmte Elemente im Schrott (Cu, Mo, Sn, Ni) können nicht oxidiert werden und reichern sich im Bad an. Andere (Al, Si, Zr) oxidieren vollständig und gehen in die Schlacke. Mittelständige (P, Mn, Cr) verteilen sich zwischen Metall und Schlacke. Zn, Pb werden überwiegend als Dampf entfernt. Typischer Schrottanteil am metallischen Input: 10–35 %, abhängig von lokalen Bedingungen und Ökonomie. Technisch hängt das Schrott/Roheisen-Verhältnis von Si, C, Temperatur des Roheisens und Einsatz einer Nachbrennlanze ab.

Direktreduziertes Eisen (DRI)

Wird in manchen Werken als Kühlmittel und Eisenquelle eingesetzt. Typisch: 89–94 % Gesamtfe (88–96 % Metallisierungsgrad), 0,1–4 % C, 2,8–6 % Al₂O₃+SiO₂, 3–8 % FeO, geringe Mengen CaO, MgO. P: 0,005–0,09 %, S: 0,001–0,03 %, N: meist <20 ppm.

DRI wird in Brocken- oder Brikettform (ca. 25–30 mm) über das Bunkersystem zugegeben. Briketts sind passiviert (keine Selbstentzündung).

Roheisen (Gusseisen)

Wird in manchen Werken als Eisenquelle genutzt. Benötigt Wärme zum Schmelzen, verhält sich dann wie Roheisen. Wird über Schrottbox mit Schrottmix geladen.

Eisenerz

Meist als Brocken in den Konverter geladen als Kühlmittel und Schrottersatz. Enthält weniger Restbestandteile (Cu, Zn, Ni, Mo). Kühleffekt ca. dreimal höher als Schrott. Reduktion von Eisenoxiden ist endotherm → mehr Roheisen, weniger Schrott nötig. Eisenerz früh im Blasprozess zugeben, wenn C-Gehalt im Bad hoch ist, um Eisenoxid effektiv zu reduzieren. Reduktion erzeugt viel Gas → Schlackenschäumen und Überschlappen. Späte Zugabe schadet Eisenergieausbeute und Abschlagschlackenchemie. Wenn nur als Kühlmittel kurz vor dem Abstich: Schlacke stark oxidiert und flüssig → Schlackeintrag in Pfanne. Verzögerte Kühlreaktion → plötzlicher Temperaturabfall oder heftige Pfannenreaktion → Überoxidation des Flüssigstahls.

Walzzunder (Mill Scale)

Als Kühlmittel in geeigneten Mengen einsetzbar. Erhöht Roheisen/Schrott-Verhältnis effektiv. Verursacht jedoch starkes Überschlappen. Walzzunder und andere Eisenoxide werden während des Hauptblasens reduziert → Fe und O₂ frei. Zusätzlicher Sauerstoff beschleunigt Entkohlung. Überschlappen durch erhöhte Schlackemenge (mehr Roheisen → mehr SiO₂ und CO) und erhöhte Reaktionsrate.

Kalk (Branntkalk)

Verbrauch hängt ab von: Roheisen-Si, Roheisen/Schrott-Verhältnis, Anfangs- und End-S/P-Gehalten. Branntkalk durch Brennen von Kalkstein hergestellt. Qualitätsanforderungen an Branntkalk für Konverterstahlerzeugung sind in separatem Artikel beschrieben (Link).

Da große Mengen Branntkalk in kurzer Zeit geladen werden, ist sorgfältige Qualitätsauswahl wichtig für schnelle Lösung in der Schlacke. Kleine, poröse Brocken → höhere Reaktivität, schnellere Schlackenbildung. Häufige Qualitätsprobleme: ungebrannte Kerne, Hydratation, zu viel Feinstanteile, zu niedrige Reaktivität.

Branntdolomit

Wird mit Branntkalk zugegeben, um Schlacke mit MgO zu sättigen und MgO-Austrag aus Konverterfeuerfest in die Schlacke zu reduzieren. Typisch: 36–40 % MgO, 54–58 % CaO. Zugabe so, dass MgO-Gehalt der Schlacke über Sättigungsgrenze bleibt. MgO-gesättigte Schlacke ist weniger korrosiv → reduziert/eliminiert chemischen Angriff auf Feuerfest.

Manche Werke geben Rohdolomit direkt in den Konverter → Kühlmittel und MgO-Quelle, aber verzögerte Wirkung (Brennreaktion im Konverter). Endotherme Reaktion → Temperaturabfall.

Branntdolomit auch zur Schlackenkonditionierung vor Schlackenspritzen. Chemie und Korngröße müssen kontrolliert sein.

Kalkstein / Rohdolomit als Kühlmittel

Manche Werke nutzen Kalkstein oder Rohdolomit häufiger als Kühlmittel denn als Flussmittel. Kalkstein kühlt das Bad, wenn Abschlagtemperatur über Soll liegt. Endotherme Brennreaktion: CaCO₃ → CaO + CO₂ → Temperaturabfall. Ausmaß abhängig von Wärmegröße und Schlackenzustand. Beispiel: 150 t Wärmegröße, 1 t Kalkstein → ca. 12 °C Temperaturabfall.

Flussspat (CaF₂)

Schlackenflüssiger: verringert Schlackenviskosität. Fördert schnelle Kalklösung, indem die Dicalciumsilikat-Schicht (2CaO·SiO₂) um Kalkpartikel gelöst wird, die die Lösung verzögert. Heute sparsam eingesetzt wegen stark korrosiver Wirkung auf alle Feuerfesttypen (Konverter, Pfanne). Fluoride bilden starke Säuren in der Gaswäsche → Korrosion, unerwünschte Emissionen.

Zusatzrohstoffe

Entschwefler und Aufkohler. Werden normalerweise in die Stahlgusspfanne während des Abstichs gegeben.

Entschweflung (Deoxidation)

Letzter Schritt der Stahlerzeugung. Beim Abstich enthält Stahlbad 400–800 ppm Sauerstoffaktivität. Entschweflung durch Zugabe von Ferrolegierungen oder speziellen Entschweflern in die Pfanne.

Entschwefler: vor allem Ferrolegierungen (Ferrosilicium, Silicomangan, Ferromangan). Dienen der Entschweflung und Legierungseintrag. Ökonomischster Weg für Legierungseintrag. Ferrolegierungen verleihen Stählen besondere Eigenschaften.

Auch für Korngrößenkontrolle und Verbesserung mechanischer Eigenschaften. Je nach Stahlerzeugungsverfahren und Stahlsorte variiert Bedarf an Ferrolegierungen stark. Zugabe erhöht Korrosions-/Oxidationsbeständigkeit, Härtbarkeit, Warmfestigkeit, Verschleißfestigkeit, Kriechfestigkeit etc. Ferrolegierungen sind unverzichtbar für alle Stahlsorten, Rohstoff für Legierungs- und Edelstähle.

Aufkohlung (Recarburizing)

Falls C-Gehalt am Blasende unter Spezifikation: kontrollierte Zugabe von Aufkohlern in die Pfanne. Gängige Aufkohler: Koksbreeze, Petrolkoks. Große Pfannenzugaben senken Temperatur des Flüssigstahls nachteilig.

Versorgungsgase

Im LD-Konverter wird eine wassergekühlte Lanze verwendet, um Sauerstoff mit Überschallgeschwindigkeit auf das flüssige Bad zu blasen. Für höhere Stahlqualitäten mit niedrigeren Verunreinigungen wird Sauerstoff von sehr hoher Reinheit benötigt: mind. 99,5 %, ideal 99,7–99,8 %. Rest: 0,005–0,01 % N₂, Rest Ar.

Sauerstoff wird mit Laval-Düsen (konvergent-divergent) an der Lanzenmündung mit Überschallgeschwindigkeit (Mach >1) eingeblasen. Kräftiger Gasstrahl durchdringt Schlacke und trifft auf Flüssigbadoberfläche zur Stahlerzeugung. Heute meist 4–5 Düsen, Sauerstoffvolumenströme 640–900 Nm³/min.

Stickstoff

Für Kombiblasen und Schlackenspritzen. Zur Verbesserung der Badmischung durch Bodenblasdüsen oder permeable Elemente eingeblasen. Rühren im hohen C-Bereich des Bades. Bodendurchflüsse typisch <0,2 Nm³/t·min. Üblicherweise in den ersten 60–80 % des Sauerstoffblasens. Rasche CO-Entwicklung im ersten Blasabschnitt verhindert N₂-Aufnahme im Stahl.

Auch für Schlackenspritzen nach dem Abstich: konditionierte Flüssigschlacke wird mit N₂ an die Konverterwände gespritzt → Schutzschicht auf Feuerfest.

Argon

Für Kombiblasen. Rühren im niedrigen C-Bereich des Bades. Bodendurchflüsse typisch <0,2 Nm³/t·min. In den letzten 20–40 % des Sauerstoffblasens eingeblasen.

Feuerfestmaterialien

Drei Typen für LD-Konverter: Basische Ziegel (meist MgO-C), MgO-basierte Ausbesserungsmassen für geschädigte Bereiche, Stopfmaterial (meist gebrauchte Ziegel) für erodierten Konverterboden. Details unter Link.

Verbrauchssonden

Einweg-Sonden für Probenahme zur Analyse nach Blasende und Temperaturmessung: Roheisen in der Pfanne, Flüssigstahl im Konverter nach Blasende.

Kühlwasser

Für Kühlung der Sauerstofflanze und Düse sowie der Abgase. Verhindert Ausbrennen der Lanze. Kupferdüse und Stahlrohr werden mit Umlaufwasser (ca. 6 bar) gekühlt. Wichtige Lanzenkomponenten: Wasserkühlkanäle – Wasser fließt durch Düsenmitte, austritt durch äußeres Rohr. Auslegung für maximale Kühlwasserströmungsgeschwindigkeit im Düsenbereich (höchste Temperaturen). Kritisch für hohe Lanzenlebensdauer. Durchflussraten müssen Auslegungswert halten. Auslasstemperatur nicht über 60–65 °C.

CO-reiches Konvertergas wird im Konverterhut indirekt gekühlt (Kühlwasser oder Verdunstungskühlung ECS) von 1600–1700 °C auf ca. 900 °C. Bei ECS wird demineralisiertes Wasser benötigt (Wärmerückgewinnung als Dampf).

Manche Werke kühlen den Konverteroberkegel wassergekühlt. Zwei Komponenten profitieren: Konusmantel und Lipring am oberen Konuseck.

Wasserqualität ist entscheidend. Verunreinigungen (Oxide, Schmutz) → Ablagerungen in Rohren → schlechtere Wärmeübertragung.