Stahlerzeugung: Integrierte Hüttenwerks- und Gasreinigungsanlagen [1. Aufl.] 9783658290900, 9783658290917

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Karl-Rudolf Hegemann Ralf Guder

Stahlerzeugung Integrierte Hüttenwerks- und Gasreinigungsanlagen

Stahlerzeugung

Karl-Rudolf Hegemann • Ralf Guder

Stahlerzeugung Integrierte Hüttenwerks- und Gasreinigungsanlagen

Karl-Rudolf Hegemann Essen, Deutschland

Ralf Guder ArcelorMittal Bremen GmbH Bremen, Deutschland

ISBN 978-3-658-29090-0    ISBN 978-3-658-29091-7  (eBook) https://doi.org/10.1007/978-3-658-29091-7 Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über http://dnb.d-nb.de abrufbar. Springer Vieweg © Springer Fachmedien Wiesbaden GmbH, ein Teil von Springer Nature 2020 Das Werk einschließlich aller seiner Teile ist urheberrechtlich geschützt. Jede Verwertung, die nicht ausdrücklich vom Urheberrechtsgesetz zugelassen ist, bedarf der vorherigen Zustimmung des Verlags. Das gilt insbesondere für Vervielfältigungen, Bearbeitungen, Übersetzungen, Mikroverfilmungen und die Einspeicherung und Verarbeitung in elektronischen Systemen. Die Wiedergabe von allgemein beschreibenden Bezeichnungen, Marken, Unternehmensnamen etc. in diesem Werk bedeutet nicht, dass diese frei durch jedermann benutzt werden dürfen. Die Berechtigung zur Benutzung unterliegt, auch ohne gesonderten Hinweis hierzu, den Regeln des Markenrechts. Die Rechte des jeweiligen Zeicheninhabers sind zu beachten. Der Verlag, die Autoren und die Herausgeber gehen davon aus, dass die Angaben und Informationen in diesem Werk zum Zeitpunkt der Veröffentlichung vollständig und korrekt sind. Weder der Verlag, noch die Autoren oder die Herausgeber übernehmen, ausdrücklich oder implizit, Gewähr für den Inhalt des Werkes, etwaige Fehler oder Äußerungen. Der Verlag bleibt im Hinblick auf geografische Zuordnungen und Gebietsbezeichnungen in veröffentlichten Karten und Institutionsadressen neutral. Springer Vieweg ist ein Imprint der eingetragenen Gesellschaft Springer Fachmedien Wiesbaden GmbH und ist ein Teil von Springer Nature. Die Anschrift der Gesellschaft ist: Abraham-Lincoln-Str. 46, 65189 Wiesbaden, Germany

Oxygenstahlwerk, LD-Konverter beim Chargieren mit Roheisen. (Bild-Quelle: ThyssenKrupp Steel Europe) Hegemann · Guder

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Vorwort

Wohltätig ist des Feuers Macht, wenn sie der Mensch bezähmt bewacht. Friedrich von Schiller (1759–1805)

Das vorliegende Fachbuch stellt einen weiteren Schritt in unserem Bemühen dar, einen möglichst vollständigen Überblick über die Stahl-Erzeugung von den Anfängen bis zu den heutigen Verfahren in den integrierten Hüttenwerken zu erhalten. Ein integriertes Hüttenwerk umfasst alle Arbeitsstufen der Roheisen- und Stahlerzeugung an einem Standort. Etwa 72 % der Weltstahl-Erzeugung werden heute über die Hochofen- und Konverter-­ Route mit den Blasstahl-Verfahren gewonnen. Über die Herdstahl-Route mit den Elektro-­ Lichtbogen-­Öfen (ELO) werden ca. 25 % der Weltstahl-Erzeugung hergestellt. Stahl ist weltweit das am meisten recycelte Material. Ausrangierte Stahlprodukte werden als Stahlschrott in den Produktionsprozess der Stahlerzeugung über die Hochofenund Konverter-Route, vor allem über die Herdstahl-Route zurückgeführt. Sammlung und Aufbereitung des Stahlschrottes geschehen durch eine Vielzahl von Betrieben der Recycling-­Wirtschaft, die über die erforderlichen Anlagen wie Schrottpressen, Schrottscheren und Shredder verfügen. Das Thema Recycling wird mit wichtigen Aussagen bzgl. dem Einsatz von zinkhaltigem Schrott behandelt. Die Stahl-Erzeugung setzt sich aus einem primär- und sekundärmetallurgischen Teil zusammen. In der Primär-Metallurgie wird zunächst Roheisen zu Rohstahl erwirtschaftet, welches anschließend in der Sekundär-Metallurgie und den Walzwerken zu Stahl weiterverarbeitet wird. Dazu gehören das Behandeln der Stahlschmelze und das Einstellen der gewünschten Gießtemperatur. Das Vergießen von Stahl sowie die Formgebung in den Warm- und Kaltwalzwerken werden umfassend beschrieben. Der hohe Marktanteil der Rohstahl-Erzeugung mit Konvertern erfolgt durch das Frischen von flüssigem Roheisen mit Sauerstoff zur Entfernung unerwünschter Eisenbegleiter. Bei den Blasstahl-Verfahren wird technisch reiner Sauerstoff entweder auf das Bad beim Linz-Donawitz-(LD-)Verfahren und Varianten oder durch den Boden in das Bad als Oxygen-Bodenblas-Metallurgie-(OBM-)Verfahren geblasen. Inzwischen geschieht dies meist gleichzeitig, sowohl von oben als auch von unten.

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Vorwort

Das LD-Verfahren ist im Buch wegen seiner vorherrschenden Marktstellung besonders hervorgehoben. Die Darstellung metallurgischer Abläufe mit den Stoff- und ­Wärme-­Umsätzen sowohl im Elektro-Lichtbogen-Ofen beim Schrott-Verfahren als auch im LD-Konverter führen im Anlagenbau der verfahrenstechnischen Disziplinen zu wichtigen interdisziplinären Erkenntnissen für die Gasbehandlung bei der Staubtrennung und Energienutzung kalorienreicher Konverter-Brenngase. Die Eisen- und Stahlindustrie war zunächst mit den verschiedenen metallurgischen Verfahren vor recht schwierig erscheinende Abgasprobleme gestellt. Während heute Hochofengase fast vollständig gereinigt werden, hielt man dies bei den Blasstahl-­Verfahren zunächst technisch und wirtschaftlich für nicht erreichbar. Im Unterschied zum Hochofenprozess entsteht bei den Blasstahl-Verfahren ein außerordentlich feinkörniger Staub. Die Körnung liegt bei den Sauerstoffaufblas-Konvertern zu etwa 50 % unter 400 nm (Nanometer; 400 Nanometer (nm) = 0,4 μm = 0,0004 Millimeter (mm)) und zu 50 % unter 40 nm bei den Frischverfahren bodenblasender Konverter. Diese Schwebe-Partikelgrößen fallen unter den Begriff Feinststaub der Kategorisierung PM2,5. Sie sind in hohem Maße gesundheitsschädlich. Inzwischen konnten die Methoden der Gasreinigung derart verbessert werden, dass auch hier die Zielsetzung einer nahezu vollständigen Abscheidung von Feinststäuben unter dem Aspekt des technisch-wirtschaftlich vertretbaren Aufwandes erreicht wurde. Bei der Konvertergas-Reinigung werden sowohl nasse Verfahren mit Venturi-Wäschern als auch trockene Verfahren mit Platten-Elektrofiltern eingesetzt. Vorherrschend ist die Anwendung nasser Verfahren. Mehr als 90 % aller LD-Konverter weltweit werden größtenteils auf der Basis klassischer Venturi-Wäscher mit einer Wasser-Eindüsung quer (90°) zur Gasströmung entstaubt. Die Platten-Trocken-Elektrofilter konnten vorübergehend bessere Entstaubungswerte erzielen als Venturi-Wäscher, sodass zahlreiche Stahlwerke mit Elektrofiltern ausgerüstet wurden. Es hat sich aber gezeigt, dass niedrige Reingasstaubwerte nur mit vier elektrischen Feldern erreichbar sind. Um bei Konverteranlagen mit veralteten Venturi-Wäschern die heute gesetzlich vorgeschriebenen Reingas-Staubgehalte