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Kühlung und Transport von HBI

Millenium Steel:

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Frank Reddemann, AUMUND Fördertechnik, Rheinberg / Germany -

Die Direktreduktion hat sich in den vergangenen Jahren weltweit sehr erfolgreich entwickelt. In diesem Umfeld entstanden neue innovative Produktionsbereiche zur Erzeugung von Stahl aus den verschiedenen Direktreduktionsanlagen. Ein Teilbereich hierzu ist das Handling von heißem, direkt reduziertem Eisen in Form von Briketts - HBI zur weiteren Verwendung in der Stahlerzeugung. Für die Anwender dieser Technologie können bei der Verwendung von HBI zwei Aspekte von herausragender Wichtigkeit sein: Das Abkühlen von HBI nach der Brikettierung zum weiteren Transport oder zum Verkauf der HBI oder das möglichst effiziente Chargieren der HBI im weiteren Prozess der Stahlerzeugung. Sowohl für das Kühlen der HBI als auch für das direkte Chargieren z.B. in den Lichtbogenofen gibt es sehr innovative Lösungen.

 

Seit Anfang der 2000er Jahre ist der Einsatz von Hot DRI (HDRI) im Stahlwerk immer populärer geworden. So stieg der Anteil von 1,83 Mt im Jahr 2003 auf 6,47 Mt im Jahr 2010 [1]. Der Anteil von HBI – 7,21 Mt  stellt 2010 ungefähr 10,2 % der Gesamtmenge des produzierten DRI von 70,37 Mt dar. Die Erzeugung von DRI wurde hauptsächlich dort realisiert, wo es hochwertige Gas- und/oder hochwertige Eisenerzvorkommen gibt. Die größten Steigerungen gibt es in Asien / Ozeanien und im Mittleren Osten, wo hingegen in Lateinamerika die produzierten Mengen etwas gesunken sind. Auch in Russland ist ein leichter Anstieg in den letzten beiden Jahren zu verzeichnen. Zu ca. 2/3 werden gasbasierende Verfahren eingesetzt, der Rest verteilt sich auf kohlebasierende Verfahren und spezielle Sonderanwendungen.

Für die aufstrebenden Märkte in Asien, Mittlerer Osten und Russland/GUS werden diese Verfahren immer interessanter, wobei die Gründe sehr unterschiedlich sind. Für viele asiatische Länder, vor allen Dingen Indien und China steht die Nutzung einheimischer Rohstoffe im Vordergrund. Durch die Verfeinerung der Direktreduktionstechnologie in den vergangenen Jahren gelingt es zunehmend mit den vorhandenen Qualitäten an Eisenerz hochwertigen Stahl zu produzieren. Im Mittleren Osten sind Energiequellen in erheblichem Umfang zu sehr günstigen Konditionen vorhanden die für die energieintensive Stahlproduktion ein deutlicher Standortvorteil sind. In Russland und den angrenzenden GUS Staaten ist die Modernisierung der riesigen metallurgischen Kombinate in vollem Gange und wird politisch stark unterstützt. Gerade bei den vorhandenen hochwertigen Erzen haben hier Direktreduktionsverfahren gegenüber konventioneller Erzeugung über die Hochofenroute entscheidende Vorteile im volkswirtschaftlichen Sinne.

Bei der Entwicklung der Direktreduktion ist zu beobachten, dass die jährlichen Kapazitäten ansteigen und der Prozess selbst weiter verfeinert und verbessert wird. Neben der optimalen Verwendung der lokalen Erze und der vorhandenen Energiequellen spielt die Flexibilität der Anlage eine entscheidende Rolle bei der Entscheidung für das eine oder andere technische Detail oder Anlagenteil. Besonders gefragt sind innovative Lösungen die es dem späteren Produzenten ermöglichen auf ständig wechselnde Marktbedingungen schnell und effizient zu reagieren. Die Senkung des Verbrauchs von Energie spielt eine große Rolle. Aber auch die Verkürzung von Produktionszeiten kann eine erhebliche Steigerung der Effizienz und Produktivität bedeuten.  Die Senkung des Verbrauchs von Medien wie Wasser ist vor allen Dingen dort notwendig, wo Wasser nur in begrenztem Umfang zur Verfügung steht.

Das Grundprinzip der Direktreduktion hat sich entgegen der Meinung einiger konservativer Vertreter als eine moderne Technologie neben der traditionellen Hochofenroute durchgesetzt, weil es in den realisierten Anlagen die vorgefundenen Bedingungen effizienter zur Erzeugung von hochwertigem Stahl nachweisen konnte. Ein großer Schritt war die Verwendung von DRI und HBI im Lichtbogenofen. Der EAF ist in den Mini Mills der letzten Dekaden sehr erfolgreich gewesen und ist heute massenhaft verbreitet. Das anfängliche Manko durch den Einsatz von billigem, aber schwer klassifizierbarem Schrott nur begrenzte Stahlqualitäten produzieren zu können ist spätestens seit dem Einsatz von DRI und HBI zu einem sehr erfolgreichen Vorteil geworden. Die Kombination DR und EAF produziert heute sehr wettbewerbsfähige Stahlqualitäten. Weitere Verbesserungen sind zukünftig zu erwarten durch die weitere Optimierung der Anlagen und eine verbesserte Verknüpfung des verschiedenen Prozess stufen. Hierzu zählt einerseits die direkte Verbindung der Direktreduktionsanlage mit dem EAF durch kontinuierliches Beschicken mit einem Heißgutförderer, wodurch erhebliche Produktionssteigerungen und Energieeinsparungen erreicht werden konnten. Dieser Punkt ist mehrfach beschrieben worden und soll hier deshalb nicht weiter betrachtet werden. Als weiterer Aspekt hat sich das Handling von heißem DRI nach der Brikettierung in Form von HBI ergeben.

Der Transport und die Kühlung von heißem HBI an der Schnittstelle zwischen Eisenerzeugung und Stahlwerk ist in den letzten Jahren verstärkt Gegenstand des Interesses vieler Erzeuger geworden.  Leider nicht immer mit der nötigen Aufmerksamkeit der Anlagenplaner, da das Handling von heißem HBI nicht mehr so richtig zur Eisenerzeugung gehört, aber auch nicht so richtig dem Stahlwerk zugerechnet werden kann. Erst mit den praktischen Erfahrungen beim Betrieb von Anlagen zum Transport und Kühlung von HBI wurde festgestellt, dass es hier erhebliches Potential zur Optimierung gibt. Andererseits konnten praktische Erfahrungen gesammelt werden, die belegen, dass unterschiedliche Methoden bei Kühlung und Transport von HBI entscheidenden Einfluss auf die Qualität und Kosten haben. (Abbildung 1)

Bei der Kühlung von HBI sind derzeit verschiedene Methoden und unterschiedliche konstruktive Konzepte im Einsatz. Das quenchen von HBI im Wasserbad direkt nach der Brikettierung ist häufig anzutreffen, obwohl diese Methode in der Praxis ebenso häufig einige erhebliche Nachteile gezeigt hat. Es wurde berichtet, dass die Wassermenge im Tauchbad zu rasch verdampft und dann im Trockenbetrieb Schäden an den Aggregaten auftreten. Bei anderen Versionen traten zu große thermische Spannungen an der Grenze Wasserbad – Gefäßwand – Außenwand auf. Oft werden Reparaturen notwendig, wodurch die Verfügbarkeit der Anlage sinkt.

AUMUND hat seit einigen Jahren ein komplett neues Konzept entwickelt, welches in der Praxis bei bisher zwei Anlagen erfolgreich in Betrieb ist und patentiert wurde. Unter den rauen Bedingungen in metallurgischen Anlagen scheint der Einsatz von Tauchbädern nur mit großem Aufwand verbunden zu sein. Durch das rasche Abkühlen der Briketts kommt es zu einigen unerwünschten Nebeneffekten: Es entstehen Risse in den Briketts, teilweise platzen kleine Teile ab, was zu vermehrter Bildung von Fines führt. Im Moment des Eintauchens der HBI ins Wasserbad entsteht zwangsläufig eine Dampfwolke mit teilweise erheblichem Staubanteil. Dadurch bedingt sind spezielle Konzepte für Rohrleitungen, Entstaubung und Wasseraufbereitung notwendig um einen Dampfaustritt in die Umgebung zu verhindern und erhöhtem Verschleiß vorzubeugen.

Das neue Konzept von AUMUND ermöglicht ein viel schonenderes Abkühlen der HBI mit Wasserdampf anstelle von flüssigem Wasser.  Die HBI werden auf ein Metallplattenband aufgegeben und durch spezielle fördertechnische Einrichtungen gleichmäßig auf dem Band verteilt. Die Kühlung erfolgt über die Bildung von Wasserdampf, der die Wärme abführt. Durch das abgestimmte thermodynamische Modell kann die benötigte Dampfmenge genau auf die erforderliche Kapazität der Anlage eingestellt werden. Durch diese optimierte Verwendung des Wasserdampfes konnte die benötigte Wassermenge drastisch reduziert werden, so dass praktisch kein flüssiges Wasser vorhanden ist. Das ist ein entscheidender Faktor für Anlagen, wo nur begrenzt Wasser zur Verfügung steht. An den vorgesehenen Punkten wird der Wasserdampf abgesaugt und kann nach Bedarf im Kreislauf verwendet werden. Mit dem Wasserdampf entsteht defacto eine inerte Schutzwolke um die HBI, was Reoxidation und Verlust an Metallisierung minimiert. Da bei einer Abkühlung mit der berechneten Menge Wasserdampf keine schockartige Abkühlung mit Bildung einer Dampfwolke entsteht, wie etwa beim quenchen, konnte in den ausgeführten Anlagen keine erhöhte Menge an Staub und Feinanteilen im Abgas festgestellt werden. Bei nachgeschalteten Filteranlagen und Ventilatoren ist der Verschleiß geringer wegen der geringeren Staubanteile im Abgas. (Abbildung 2)

Zur Unterstützung bei der Planung neuer Anlagen oder bei der Modernisierung vorhandener Systeme kann das das Know-how von AUMUND einen guten Beitrag leisten. Mit dem speziell für diesen Einsatzfall entwickelten thermodynamischen Model lässt sich die Menge des benötigten Wasserdampfes sehr genau berechnen. Die Richtigkeit dieser Berechnungen konnte bei den ausgeführten Anlagen überprüft werden. (Abbildung 3) In Verbindung mit der hauseigenen calculation software wird entsprechend den gegebenen Bedingungen die Geometrie des Kühlförderers ermittelt. Neben Länge und Breite kann in Verbindung mit der Fördergeschwindigkeit die Endtemperatur bereits im Vorfeld berechnet werden.  Zum weiteren Handling im Stahlwerk oder zum weiteren Transport zum Lager für den Verkauf der HBI ist meist eine Maximaltemperatur von 100°C notwendig. Am Ende der Kühlstrecke sind die HBI komplett trocken und können mit Standard-Gurtförderern weitertransportiert werden. Die Kühlförderer sind mit allen notwendigen Komponenten ausgestattet, die ein sicheres Arbeiten ermöglichen.



[1] Midrex: Continuing Growth in DRI Production

Die englische Übersetzung der abgedruckten Version finden Sie innerhalb der englischen Sprachausgabe dieser Seite.