Arten und Prozesse der Sekundärveredelung

Arten und Verfahren der Sekundärmetallurgie

Die Sekundärmetallurgie umfasst kritische Verfahren, die nach der Primärstahlerzeugung (in einem BOF oder EAF) durchgeführt werden, um eine präzise Kontrolle über Chemie, Temperatur und Reinheit zu erreichen. Hauptziele sind die tiefe Entschwefelung und Entphosphorung.

I. Entphosphorung von geschmolzenem Stahl

Während moderne Konverter Phosphorgehalte von 40-100 ppm erreichen können, hängt dies stark vom anfänglichen Silizium- und Phosphorgehalt des Roheisens ab. Eine effektive Entphosphorung erfordert die Bildung von P₂O₅ und dessen Fixierung in einer basischen Schlacke. Aktuelle fortschrittliche Verfahren konzentrieren sich auf die Minimierung des Schlackenvolumens in der letzten Konverterstufe.

   Roheisen-Vorbehandlung (Entphosphorung): Eine beliebte Strategie, insbesondere in Japan, beinhaltet das Entsilizieren und Entphosphorisieren des Roheisens in einem separaten Gefäß oder in einem ersten Konvertervorgang vor der Hauptkonvertercharge. Dies ermöglicht es dem Hauptkonverter, mit ultra-niedrigen Silizium-Einsätzen zu arbeiten, was ein effizientes "weniger-Schlacke"- oder "schlackefreies" Blasen ermöglicht. Ein wichtiger Kompromiss ist ein geringeres Schrottladungsverhältnis.

   Zweistufiges (Duplex-)Konverterverfahren: Dieses Verfahren verwendet zwei Konverterstufen:

    1.  Der erste Konverter führt die Entsilizierung und Entphosphorung durch.

    2.  Die Schlacke aus der ersten Stufe wird vollständig entfernt ("Schlackenabzug").

    3.  Das halbveredelte Metall wird dann im zweiten Konverter entkohlt und fertiggestellt.

    Durch die Verhinderung der Phosphorrückführung aus der Schlacke kann dieses Verfahren Phosphorgehalte am Ende des Blasens von bis zu 30 ppm erreichen.

   Die Rolle der Sekundärmetallurgie: Der endgültige Phosphorgehalt wird durch Abstichverfahren und nachgeschaltete Schritte beeinflusst. Jedes Schlacke-Carry-over während des Abstichs kann zu einer Phosphorrückführung führen, da P₂O₅ in der Schlacke reduziert wird. Darüber hinaus können Zusätze von phosphorhaltigen Legierungen (z. B. einige Ferro-Mangan-Sorten) den Phosphorgehalt erhöhen. Typischerweise liegt der Phosphorgehalt des Endprodukts etwa 10 ppm höher als am Konverterendpunkt.

   Fortgeschrittene Pfannenmetallurgie für ultra-niedrigen Phosphor: Die Verwendung eines Pfannenofen (LF) mit speziellen Schlackenverfahren ermöglicht noch niedrigere Endphosphorgehalte. Ein strategischer Ansatz ist es, den Konverter bei einer ~50°C niedrigeren Temperatur abzustechen, was die Phosphorrückhaltung in der Schlacke begünstigt. Die notwendige Wärmeenergie wird dann durch Lichtbogen-Wiedererhitzung im LF unter kontrollierten, reduzierenden Bedingungen zugeführt, um eine Rückführung zu verhindern. Modellierungen zeigen, dass mit optimierter Schlacke (z. B. ~18 % FeO, 0,4 % P₂O₅) und kontrolliertem Abstich Stahl mit ~20 ppm Phosphor erreichbar ist.

II. Entschwefelung

Die Entschwefelung in der integrierten Stahlerzeugung erfolgt in drei Stufen: Roheisenentschwefelung, begrenzte Konverterentschwefelung und Pfannenentschwefelung während der Sekundärmetallurgie.

   Roheisenentschwefelung: Erreicht durch Einspritzen von Reagenzien wie Calciumcarbid, Magnesium oder Kalk-Magnesium-Gemischen in die Eisengießpfanne. Dies kann den Schwefelgehalt auf sehr niedrige Werte (z. B. 20 ppm) senken, abhängig vom Reagenzverbrauch.

   Pfannenentschwefelung (Hauptstufe): Für eine effiziente Tiefenentschwefelung in der Pfanne sind drei Bedingungen von entscheidender Bedeutung:

    1.  Starke Reduktionsbedingungen: Es muss ausreichend Aluminium zugegeben werden, um den Stahl gründlich zu desoxidieren und ein niedriges Sauerstoffpotential zu erzeugen.

    2.  Optimale Schlackenchemie: Die Pfannenschlacke muss kalkgesättigt (CaO-gesättigt) sein. Der "Kalksättigungsgrad" ist ein Schlüsselparameter:

           =1: Schlacke ist CaO-gesättigt (optimal für hohe CaO-Aktivität).

           <1: Schlacke ist ungesättigt, flüssig, aber mit geringerer CaO-Aktivität, was die Effizienz verringert.

           >1: Schlacke ist übersättigt, heterogen und weniger reaktiv.

    3.  Intensives Rühren: Der geschmolzene Stahl muss heftig gerührt werden (durch Argonbegasung), um einen starken Schlacke-Metall-Kontakt und kinetische Bedingungen für die Reaktion zu gewährleisten.

Unter optimalen Bedingungen (CaO-gesättigte Schlacke + intensives Rühren) können die Entschwefelungsraten 95 % erreichen. Die Effizienz sinkt deutlich bei schwächerem Rühren oder nicht optimaler Schlacke.

   Komplexitäten während des Rührens: Intensives Pfannenrühren löst andere gleichzeitige Reaktionen aus:

       Reduktion von SiO₂ in der Schlacke durch gelöstes [Al], wodurch der Siliziumgehalt des Stahls erhöht wird.

       Reoxidation von Aluminium durch Luft.

       Reduktion von MnO aus der Schlacke, wodurch der Mangangehalt leicht erhöht wird.

    Die Erhöhung des Siliziumgehalts ist besonders nachteilig für die Herstellung von siliziumarmen Stählen (z. B. für dünne Bänder) und kann die Entschwefelung selbst behindern.

   Integrierte Entschwefelungsstrategie: Das Erreichen von ultra-niedrigem Schwefel (z. B. <20 ppm) erfordert einen integrierten Ansatz:

       Die Roheisenentschwefelung sollte einen Wirkungsgrad von ~75 % erreichen und den Schwefel auf <30 ppm reduzieren.

       Die Pfannenentschwefelung muss dann mit hohem Wirkungsgrad (>90 %) arbeiten. Wenn die Effizienz der Pfannenentschwefelung gering ist (z. B. 35 %), muss die Roheisenentschwefelung noch aggressiver sein, um einen Ausgangspunkt von ~30 ppm S zu erreichen und ein Endziel von ~50 ppm zu erreichen.

       Für ein Endziel von ~100 ppm S muss die Roheisen-Vorbehandlung den Schwefel typischerweise auf ~150 ppm reduzieren.

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