Optimierung der Sintertechnologie und Maschinenkonstruktion für die Eisenerzproduktion

Sintertechnologie für Erze und Optimierung der Sintermaschinenkonstruktion

Die Sintertechnologie ist im Grunde ein Agglomerationsprozess für Eisenerzfeinst, der Wärme nutzt, um die Oberfläche feinerer Partikel zu schmelzen und zu größeren Agglomeraten zu verbinden. Ein typisches Sinterwerk besteht aus mehreren aufeinanderfolgenden Betriebsbereichen, wobei die Sintermaschine das Herzstück bildet. Der vereinfachte Prozessablauf:

1. Rohstoffe (Eisenerzfeinst, Koksbreeze, Schlackenbildner wie Kalkstein, Dolomit, Manganerz, Kalk, Quarzit, Sand sowie Rückstände wie Walzzunder, Siebreste, Stäube, Schlämme, Konverterschlacken) werden dosiert und einem Mischsystem zugeführt.
2. Im rotierenden Mischeltrommel werden Rohstoffe mit Sinterrücklauf und Wasser zu einem grünen Sintergemisch (Green Feed) vermischt – „Nodulieren“ genannt.
3. Das nodulierte Green Feed wird auf eine dimensionierte Herdschicht (Hearth Layer) auf den Sinterband (Strand) der Sintermaschine aufgegeben → „Sinterbett“.
4. Das Bett durchläuft den Zündofen (Haube), wo Brenner den Kohlenstoff (Koksbreeze) im Green Feed entzünden.
5. Die Reaktion breitet sich durch chemische Reaktion zwischen Kohlenstoff und der durch den Sinterbett von Abzugslüftern angesaugten Luft aus. Der Sinter brennt vertikal durch, während das Bett horizontal zum Austragende wandert.
6. Der gesinterte wird über einen Heißsinterbrecher auf einen Sinterkühler ausgetragen, wo Umgebungsluft von unten durch das zerkleinerte heiße Material geblasen wird.
7. Nach Abkühlung wird der Sinter in der Brech- und Siebsektion klassiert und schließlich entweder zum Hochofenbunker oder zum Sinterlager gefördert.

Verwendet werden meist Gerade-Band-Maschinen (Straight-line) für große Sinterwerke und Ringmaschinen (Annular) für kleine Anlagen. Abgase werden in Zyklonen und Elektrofiltern gereinigt bevor sie in die Atmosphäre gelangen.

Moderne Sinterwerke mit Bandmaschinen müssen neben allen anderen Anforderungen auch Rohstoffaufbereitung und -handhabung, Produktklassierung und -handhabung sowie anspruchsvolle Steuerungs- und Instrumentierungssysteme erfüllen.

Überragende Homogenität und hohe Permeabilität des Sinterrohmischs sind entscheidend für hohe Sinterproduktivität und -qualität bei reduziertem Energieverbrauch.

Nach dem Abkühlen wird der Sinter in der Brech- und Siebsektion klassiert: Feinkorn wird dem Sinterprozess zurückgeführt, Mittelkorn dient meist als Herdschicht zum Schutz der Palettenwagen, Grobkorn geht zum Hochofen.

Hauptkomponenten der Sintermaschine

Abb. 1 Hauptkomponenten der Sintermaschine

Die Sintermaschine besteht aus folgenden Hauptkomponenten: (i) Palettenwagen, (ii) Antrieb für Sinterband, (iii) Spannvorrichtung (Take-up), (iv) Zündofen, (v) Absturzdeck (Crash-Deck) und Heißsinterbrecher.

Palettenwagen

Die Palettenwagen fördern das Green Feed entlang des Maschinenbands über die Windkästen (Unterdruckbereich) während des Sinterprozesses. Der Sinterband besteht aus mehreren Palettenwagen und verhält sich wie eine unverbundene Endloskette. Dadurch unterliegen die Wagen folgenden Belastungen:

• Zyklische thermische Schwankungen durch hohe Temperaturen auf der Sinterseite (oberer Strang) und Abkühlung auf der Rücklaufseite (unterer Strang).
• Zyklische statische Lasten durch Masse von Green Feed/Sinter.
• Zyklische dynamische Lasten durch Antriebskettenräder und gegenseitige Stöße der Wagen.

Trotz über hundertjähriger Entwicklung führen diese anspruchsvollen Betriebsbedingungen zur Ermüdung selbst bester Werkstoffe (Kugelgraphitguss, Lamellengraphitguss, Weißguss) innerhalb begrenzter Zyklenzahlen. Daher planen viele Sinterwerke den Palettenwagenwechsel basierend auf einer durchschnittlichen Lebensdauer von 10 Jahren bei ca. 330 Betriebstagen pro Jahr.

Material- und Formwahl der Palettenwagenkomponenten wird zudem bestimmt durch: (i) minimalen Druckverlust durch die Roststäbe, (ii) maximale Abriebfestigkeit der Roststäbe, (iii) maximale Duktilität und Abriebfestigkeit der Seitenplatten (Wangen) bezüglich Gleitbewegung von Green Feed und Sinter, (iv) schnelle Austauschbarkeit verschlissener oder defekter Komponenten durch nicht voll qualifiziertes Personal.

Antrieb für Sinterband

Die nicht verbundenen Palettenwagen werden durch Antriebskettenräder (mit Schrumpfscheiben auf gemeinsamer Welle) entlang des oberen Maschinenrahmens geschoben. Kettenräder haben meist austauschbare Zahnsegmente, präzisionsgegossen aus Spezialstahl. Die Zähne bewirken eine Rollbewegung auf den Innenrädern der Stummelachse (je vier pro Palettenwagen). Außenräder führen die Paletten an den Umlenkpunkten (Antriebs- und Austragstation), Innenräder tragen statische und dynamische Lasten beim Vorschieben entlang des Strangs.

Der Antrieb sitzt meist nicht am Austragsende (Wärme, Wartbarkeit). Antriebsoptionen: (i) elektromechanisch mit Drehzahlregelung, (ii) elektrohydraulisch mit Verstellpumpe/-motor. Ein- oder Zweiantrieb möglich. Hauptkriterien: (i) Reduzierung überhängender Lasten durch wellenmontierte Planetengetriebe, (ii) Drehzahlbereich, (iii) Wartbarkeit.

Spannvorrichtung (Take-up)

Die Take-up-Vorrichtung kompensiert die differentielle thermische Ausdehnung zwischen beweglichen Palettenwagen und festem Rahmen (Schienen, Windkästen) und hält ausreichenden Druck zur Vermeidung von Spaltbildung zwischen Wagenfronten. Take-ups sind meist automatisch: Gegengewicht/Seilzugsysteme oder hydraulisch. Hydraulische Vorteile: (i) Minimaler Druck zur Reduzierung Reibungsverschleiß zwischen Wagenfronten, (ii) Erleichterter Austausch einzelner Palettenbaugruppen (Öffnen des Strangs) durch doppeltwirkende Zylinder.

Maschinenbauer platzieren Take-ups bei großen Maschinen meist am Austragsende, bei kleineren am kalten Antriebsende. In jedem Fall als mobile Einheit (Rad/Schiene oder hängend) ausgeführt. Präzise Führungsvorrichtung zur Ausrichtung der Antriebsstation auf Strangmittellinie erforderlich.

Zündofen

Der Zündofen ist ein feuerfest ausgekleideter Stahlkasten mit zwei oder mehr horizontal gegenüberliegenden Brennern. Als Brennstoff dienen gasförmige (Koksofengas, Hochofengas, Mischgas, Erdgas), flüssige oder feste (Kohlenstaub). Vertikal bewegliche Türen schließen die Ofenfronten bis zur Green-Feed-Oberkante ab, um Wärmeverluste zu minimieren. Zweck: Entzündung der oberen Schicht durch Anzünden des Koksbreeze-Kohlenstoffs im Green Feed.

Anforderungen an den Zündofen:

• Brennerflamme mit niedriger Strömungsgeschwindigkeit zur Vermeidung von Green-Feed-Bett-Störungen.
• Flache Flammenform für schnelles, gleichmäßiges Anzünden.
• Kontrollierte Kühlluftzufuhr zu den Brennern für gewünschte Flammentemperatur.
• Ausreichende, einfach bedienbare Brennersteuerungen.
• Alle Ofensteuerungen fehler-sicher (fail-safe).
• Zuverlässige Zündflammen: bei Gas mit niedrigem/schwankendem Heizwert (Hochofengas, Mischgas) Betrieb der Zündflammen mit Flüssiggas (LPG).

Absturzdeck (Crash-Deck) und Heißsinterbrecher

Der Crash-Deck führt den heißen Sinter aus den Palettenwagen in den Heißsinterbrecher (auch „Fingerbrecher“). Er ist stark ausgekleidet (keramische Würfel bei manchen Maschinen), um starken Stoß und Abrieb zu widerstehen. Auskleidungslebensdauer soll den jährlichen planmäßigen Wartungsintervallen entsprechen. Bei kleineren Maschinen oft Hartverschleißplatten oder Gussplatten aus verschleißfesten Werkstoffen.

Der Heißsinterbrecher zerkleinert Sinterkuchenbrocken auf < 150 mm für Kühlung und Nachzerkleinerung. Da der Sinterkuchen beim Verlassen des Strangs noch ca. 850 °C hat, arbeitet der Brecher in extrem feindlicher Umgebung. Konstruktive Lösungen: (i) austauschbare Finger/Fingerräder, (ii) geschützte Lager, (iii) wassergekühlte Wellen (bei großen Maschinen), (iv) schneller Austausch kompletter Wellenbaugruppe (Finger, Lager, Lagerabschirmungen). Erfordert leichte Demontage der Staubhaube und einfache Trennung des Brecherantriebs.

Sinterkühltechnik mit Wärmerückgewinnungsoptionen

Der Sinterkühler wird oft zum Flaschenhals der Produktion; veraltete Technik führt zu niedriger Produktivität und hohen Betriebs-/Wartungskosten. Meist werden Ringkühler (Annular Cooler) verwendet, manchmal auch Gerade-Kühler.

Moderne Ringkühler bestehen im Wesentlichen aus einem starren Ringrahmen für einfache und nachhaltige Materialzentrierung. Fortschrittliche Beschickungsrinnen sorgen für homogenere Sinterverteilung auf dem Kühler: größere Stücke unten, kleinere oben → bessere Kühlleistung, geringerer Lüfterenergiebedarf, Schutz nachgeschalteter Anlagen. Spezielle Gummidichtungen zwischen beweglichem Kühlrinne und Luftkanalsystem ermöglichen effizientere Nutzung der Kühlluft.

Zur Steigerung der Energieeffizienz werden am Sinterkühler verschiedene Wärmerückgewinnungssysteme installiert, die die sensible Wärme der Abluft zur Strom- oder Prozessdampferzeugung nutzen. Drei gängige Alternativen:

1. Vorwärmen der Verbrennungsluft für Zündofen und Nachwärmen des frisch gezündeten Sinters.
2. Selektive Abgasrezirkulation zur Koks- und CO₂-Einsparung.
3. Abwärmeanlage für Dampf- und/oder Stromerzeugung.

Rolle von Tests bei der Sinterwerksplanung

Tests bei der Planung haben dreifaches Ziel: (i) Bestätigung vorselektierter Prozessparameter basierend auf ähnlichen Bestandsanlagen, (ii) Bewertung der Parameter hinsichtlich geplanter Produktionskapazität, (iii) Gewinnung anlagenspezifischer Konstruktionsdaten.

Zur Optimierung eines Parametersatzes werden meist Koksbreeze-Zugabe und in geringerem Maße Wasserzugabe variiert. Wenn der Parametersatz nah am Ziel liegt, beurteilt man die Optimierung am „Sinter-Feinanteil-Verhältnis“ (Gewicht erzeugter Feinst / Gewicht rückgeführter Feinst), das so nah wie möglich an 1 sein soll (guter Sinter: Verhältnis 0,95–1,05).

Schlagen Wasser- und Koksbreeze-Variationen fehl, kann nur durch Änderung des Sinterfeinstanteils im Green Feed bei gegebener Betthöhe und Druckabfall (Saugdruck) weiter optimiert werden.

Für Gerade-Band-Maschinen werden folgende Prozessparameter initial identifiziert und auf vorselektierte Werte gesetzt:

• Saugdruck: 1200–1400 mm WS (Wassersäule)
• Betthöhe: 400–450 mm
• Zündzeit: 1,5–2,0 min
• Zündtemperatur: ca. 1000 °C
• Herdschicht: 30–50 mm
• Rücklauf-Feinst: 25–30 % der Sinterproduktion

Testvarianten werden basierend auf projizierten Betriebsanforderungen gewählt. Vorgeschlagene Alternativen: (i) Basisfall: nur Erzfeinst ohne Staub/Schlamm-Zugabe, (ii) bestimmter % Staub/Schlamm zu Erzfeinst ohne Nodulieren, (iii) bestimmter % Staub/Schlamm zu Erzfeinst, aber vorgängig noduliert vor Mischen mit Erzfeinst.

Rolle der Wasserzugabe

Wasser wird dem Sintergemisch zugegeben, hauptsächlich um die Agglomeration von Feinstaub auf größere Partikel während des Nodulierens zu fördern. Dies steuert zusammen mit der Nodulierzeit die Permeabilität des Sintergemischs und damit des Sinterkuchens entscheidend. Wasser beeinflusst auch Sinterkuchenqualität (Kaltfestigkeit), Produktionsrate, Ausbeute und Feinanteil-Verhältnis. Daher ist Feuchtekontrolle während des Sinterprozesses notwendig. Zu hohe Wasserzugabe → höherer Energiebedarf beim Sintern; zu niedrige → unzureichendes Nodulieren. Wasserzugabe muss durch Tests optimiert werden. Optimale Wasserkontrolle ist kritisch für stabilen Betrieb und muss bei der Konstruktion berücksichtigt werden. Wasserzugabe lässt sich jedoch während der Inbetriebnahme einer Vollskalaanlage leicht weiter optimieren.

Koksbreeze-Zugabe

Die Sinterreaktion wird durch Aufschmelzen der Partikeloberflächen und Verschmelzen fortgepflanzt. Die dafür verfügbare Energie wird durch Reaktion zwischen Koksbreeze-Kohlenstoff und Sauerstoff aus der durch das Bett angesaugten Luft gesteuert. Die Wechselwirkung dieser Parameter ist komplex und bestimmt maßgeblich Prozessoutputs: Produktionsrate, Ausbeute, Feinanteil-Verhältnis, Sinterqualität bei gegebenen festen Parametern.

Keiner der Prozessparameter (Druckabfall, Ausbeute, Produktionsrate, Zündtemperatur, Koksbreeze-Zugabe) ist völlig unabhängig. Die Menge an Kohlenstoff als Koksbreeze im Green Feed ist jedoch vermutlich der kritischste Steuerparameter, da er das Bettverhalten beim Sintern bestimmt und auch Kühleigenschaften beeinflusst.

Typischerweise: Zu viel Kohlenstoff → Bett verschmilzt zu stark, schließt sich, verhindert Luftdurchströmung bei festem Druckabfall → lange Sinterzeiten, niedrige Produktionsraten. Zu wenig Kohlenstoff → unzureichendes Sintern, mehr Rücklauf-Feinst, geringere Ausbeute. Tests sind der beste Weg zur Ermittlung des optimalen Koksbreeze-Anteils.

Bei Planungs-Tests wird ein Parametersatz basierend auf besten verfügbaren Daten für das spezifische Green Feed gewählt. Koksbreeze-Menge wird variiert, Sintereffektivität beurteilt an Feinanteil (Minus-5-mm-Fraktion = im Wesentlichen nicht gesintertes Material). Je nach Ein-/Ausgangs-Feinanteil-Verhältnis wird Koksbreeze angepasst.

Druckabfall (Saugdruck)

Wie erwähnt, wird die Sinterreaktion durch Kohlenstoff (Koksbreeze) und Luft im System gesteuert (Energiebereitstellung). In Sintermaschinen ist es schwierig und unpraktisch, den Luftstrom durch das Bett direkt zu regeln; daher wird der Druckabfall (Saugdruck) kontrolliert. Die durch das Sinterbett angesaugte Luftmenge hängt von der Permeabilität des Gemischs bei gegebenem Druckabfall ab und variiert entlang des Strangs aufgrund wechselnder Permeabilität. Der Druckabfall wird durch Saugwirkung der Gasreinigungs-Abzugslüfter auf konstantem Niveau gehalten. Individuelle Saugkastensteuerung ist online möglich, aber nur unter der Zündhaube notwendig. Zündung erfolgt bei ca. 180–200 mm WS, weitgehend unabhängig von Betthöhe; Sinterdruckabfälle hängen von Betthöhe ab.

Betthöhe

Für eine gegebene Produktionsrate sind vielfältige Sinterwerkkonfigurationen möglich (Variation von Breite, Länge, Betttiefe) mit leicht unterschiedlichen Auswirkungen. Haupteffekt tieferer Betten: Verhältnis von Volumen zu Oberfläche des produzierten Sinters steigt → weniger ungesinterte Oberflächenfeinst erwartet. Beeinflusst normalerweise Ausbeute und Feinanteil-Verhältnis, nicht unbedingt Produktionsrate.

Regel: Bei angepasstem Druckabfall sind Produktionsraten unbeeinflusst, da bei fester vertikaler Sintergeschwindigkeit (Flammenfrontgeschwindigkeit) proportional Zeit für unterschiedliche Betttiefen benötigt wird. Kann jedoch die horizontale Bandgeschwindigkeit beeinflussen, da der Durchbrandpunkt mit der Sinterzeit verschiebt.

In der Praxis zeigt sich: Sintergemisch performt bei tieferem Bett deutlich besser. Feinanteil-Verhältnisse und Bandgeschwindigkeiten sind bei tieferem Bett bei geforderter Kapazität besser akzeptabel. Zusätzlicher Vorteil: Koksbreeze-Verbrauch sinkt substantially. Bei erhöhter Betthöhe besteht oft Flexibilität beim erforderlichen Druckabfall.

Zündzeit

Zündung des Green Feeds durch Brenner (beliebige Brennstoffquelle). Zündzeit ist nicht kritisch, solange Koksbreeze in der obersten Schicht ausreichend entzündet wird, um die Reaktion im Bett fortzupflanzen. Je nach Erzzusammensetzung variiert Zündzeit 0,5–2,0 min; normalerweise 1,5 min ausreichend.

Zündtemperatur

Im Gegensatz zur Zündzeit ist Zündtemperatur meist kritisch. Sie steuert die Menge der gezündeten Oberschicht und damit die Ausbeute des Endprodukts vom Band. Zudem beeinflusst sie Endproduktqualität (Festigkeit), Ausbeute und Produktionsrate. Oft beobachtet: Thermischer Schock durch zu hohe Zündtemperaturen → Rissbildung quer durch Sinterbett → Kurzschlussluftströmung in Rissen → unvollständiges Sintern in Rissnähe → Hauptursache für niedrigere Ausbeuten, Produktionsraten, schlechte Qualität.

Wichtig: Zündtemperatur und für Zündung benötigte Energie sind nicht identisch und nicht zu verwechseln. Idealerweise einzeln steuerbar, in der Praxis oft schwierig.

Herdschicht (Hearth Layer)

Die Herdschicht hat im Wesentlichen eine nicht-kritische Funktion: Verhinderung von Schäden an Palettenwagen und Roststäben durch Anbacken des Sinterkuchens. Manche Sintergemische aus speziellen niedriggradigen Erzen benötigen gar keine Herdschicht. Geringfügige Effekte von Herdschichtdicke und Korngrößenverteilung auf Permeabilität werden erwartet, bleiben aber praktisch insignifikant. Ein operativer Aspekt: Schwierigkeiten bei kontinuierlicher Versorgung mit rezyklierter Herdschicht (nicht immer genügend Material im korrekten Korngrößenbereich). Dann muss die nachgeschaltete Sinterzerkleinerung gesteuert werden.

Sinterausbeute (Yield)

Die Ausbeute wird allgemein als Verhältnis von produziertem Sinter zu eingesetzten Rohstoffen ausgedrückt. Je nach Bilanzgrenze (Strangende oder Endprodukt) unterschiedliche Ergebnisse. Strangende-Ausbeute berücksichtigt nur Verluste durch Glühverlust (LOI) und mit Abgas mitgerissenen Staub; Endproduktausbeute berücksichtigt zusätzlich Feinanteilgeneration (< 5 mm). Basierend auf Input-Analyse: LOI ca. 20 %, Strangende-Sinterausbeute ca. 80 % erwartet.

Produktionsrate

Produktionsrate (Produktionsindex) ist Maßstab für Sinterwerkskapazität, meist als Masse Sinter pro m² aktiver Herdfläche pro Stunde (manche pro 24 h). Definitionen können uneinheitlich sein (aktive Herdfläche, Bilanzgrenze). Praktische Definitionen:

• Bilanzgrenze für Sintermasse: nach Endproduktsieben → ausschließt rezyklierte Feinst und ignoriert Herdschichtanteil (kontinuierlich rezyklierende Last).
• Aktive Herdfläche: Gesamtfläche für Sintern von Zündhaubeneinlauf bis Durchbrandpunkt. Wenn ein Erztyp schneller durchbrennt als ein anderer auf gleichem Band, bedeutet das nicht automatisch höhere Produktionsrate. Bandgeschwindigkeit muss so angepasst werden, dass Durchbrandpunkt an Strangende wandert → größere aktive Bandfläche → höhere Produktionsrate.

Sinter-Feinanteil-Verhältnis

Der Feinanteil-Verhältnis-Parameter bestimmt die Sinterprozess-Performance. Ideales Ziel: Verhältnis 1 (erzeugte Feinst = rückgeführte Feinst → Prozess im Gleichgewicht). In der Praxis Variation zwischen 0,95 und 1,05 zulässig → Pufferlager notwendig.