Warum die Ofenabdichtung in DRI-Anlagen von entscheidender Bedeutung ist

In einem DRI-Drehrohrofen führt Falschlufteintritt zur Reoxidation des Produkts und zum Verlust des Metallisierungsgrades: Das bereits reduzierte Eisen wandelt sich zurück in Oxid, wodurch das Eisenschwamm-Produkt die Spezifikationen nicht mehr erfüllt. In einem Zementofen verschlechtert Falschluft den thermischen Wirkungsgrad; in einem DRI-Ofen zerstört sie das Produkt selbst. Das Verständnis dieses Unterschieds ist der Ausgangspunkt für jede ernsthafte Bewertung der Abdichtung in Anlagen zur Herstellung von Eisenschwamm und Direktreduktion.

Was die Abdichtung von DRI-Öfen von der von Zementöfen unterscheidet

Der DRI-Drehrohrofen arbeitet unter einer reduzierenden Gashülle: einem CO-reichen Gemisch mit einem CO/CO2-Verhältnis, das in der aktiven Reduktionszone typischerweise über 3:1 liegt [1][2]. Diese Gasatmosphäre treibt das thermodynamische Gleichgewicht an, das Eisenoxide zu metallischem Eisen reduziert. Dieses Gleichgewicht ist extrem empfindlich gegenüber dem Sauerstoffpartialdruck.

Reduzierende Atmosphäre: Eine Gasumgebung, in der der Sauerstoffpartialdruck niedrig genug gehalten wird, um Eisenoxide thermodynamisch in Richtung metallischem Eisen zu treiben. In DRI-Drehrohröfen bedeutet dies ein CO-reiches Gemisch im Festbett, wobei der Freiraum (Freeboard) separat durch kontrollierte Luftöffnungen entlang des Ofenmantels gesteuert wird.

Selbst ein geringes Leck an der Einlauf- oder Auslaufhaube verschiebt die lokale Atmosphäre in Richtung oxidierender Bedingungen. Das bereits reduzierte Eisen im Produktbett, das porös und hochreaktiv ist, beginnt sich zurückzuverwandeln. Dies ist die Reoxidation: Die Metallisierung, deren Aufbau der Prozess 8–12 Stunden gewidmet hat, wird innerhalb von Minuten abgebaut, wenn unkontrollierter Sauerstoff das heiße Eisenschwamm erreicht [2][3].

Bei Zement lautet die Standardfrage, wie stark Falschluft den spezifischen Brennstoffverbrauch erhöht. Bei DRI lautet die Frage, wie viel Metallisierung im Endprodukt verloren gegangen ist. Das eine kostet Brennstoff; das andere kostet verkaufsfähiges Eisen.

Wo Luft in einen DRI-Ofen eintritt und warum jeder Punkt wichtig ist

Die beiden kritischsten Punkte für Lufteintritt sind die Einlaufdichtung (Aufgabeseite, wo Eisenerz und Reduktionskohle eintreten) und die Auslaufdichtung (Austragsseite, wo heißes Eisenschwamm in den Drehrohrkühler gelangt) [1][3].

Einlaufseite. Das Ofeninnere steht nahe der Aufgabeseite typischerweise unter leichtem Unterdruck, da das Saugzuggebläse Gas durch den Prozess zieht. Jede Lücke in der Einlaufdichtung saugt atmosphärische Luft in den Ofen, wo sie sich mit dem reduzierenden Gas vermischt. Die Aufgabeseite arbeitet bei maximalen Reduktionstemperaturen (950–1.050 °C), sodass der Sauerstoffeintritt hier direkt mit den Reduktionsreaktionen konkurriert.

Auslaufseite und Übergang zum Kühler. Das Eisenschwamm verlässt den Ofen bei 200–400 °C in Richtung eines Drehrohrkühlers, wo es durch indirekte Wasserkühlung vor dem Austrag auf etwa 100–120 °C abgekühlt wird [2]. Bei 200–400 °C ist Eisenschwamm noch hochreaktiv. Seine innere Oberfläche ist etwa 10.000-mal größer als die von massivem Eisen [3], da die während der Reduktion entstandene poröse Mikrostruktur eine enorme aktive Eisenoberfläche für jedes vorhandene Oxidationsmittel bietet. Eine defekte Dichtung an der Schnittstelle zwischen Haube und Kühler lässt atmosphärische Luft mit diesem reaktiven Material in Kontakt kommen.

Kühlerdichtung. Viele DRI-Betreiber behandeln den Ofenauslauf und den Kühlereinlauf als zwei getrennte Dichtungspositionen, die jeweils eine eigene Dichtungsbaugruppe erfordern. In der Praxis setzt sich bei neuen Anlagenkonzepten eine Doppeldichtungskonfiguration an dieser kritischen Schnittstelle durch.

Wie sich Dichtungsversagen auf den Metallisierungsverlust auswirkt

Ein anhaltendes Dichtungsleck von 5–10 % Falschluft am Ofenauslauf kann die erreichte Metallisierung um 2–4 Prozentpunkte senken [1][2]. Ein Produkt, das bei 92 % Metallisierung lag, könnte den Kühler mit 88–90 % verlassen, was unter dem Schwellenwert der Güteklasse 1 gemäß IS 15774:2018, der Spezifikation des Bureau of Indian Standards für Eisenschwamm/DRI, liegt [4].

Metallisierungsgrad: (Fe_metallisch / Fe_gesamt) × 100 %. Für kohlebasiertes DRI der Güteklasse 1 gemäß IS 15774:2018: mindestens 90 %. EAF-Stahlhersteller fordern typischerweise 90 % für kohlebasiertes und 92 % für gasbasiertes Produkt.

Die wirtschaftliche Konsequenz ist direkt. Bei einem 80-tpd-Ofen bedeutet ein Metallisierungsabfall von 2 Punkten, dass etwa 1,6 Tonnen metallisches Eisen pro Tag durch Restsauerstoff in der Beschickung ersetzt werden, die der nachgeschaltete Elektrolichtbogenofen (EAF) mit zusätzlichen Energiekosten erneut erschmelzen muss. Wiederholte Qualitätsmängel können zu Preisabschlägen von 500–1.000 INR/t oder zur Vertragsablehnung führen. Jeder ungeplante Ofenstillstand für eine Notfallreparatur der Dichtung kostet 3–5 Tage Produktionsausfall.

Siehe Qualitätskontrolle von Eisenschwamm für den vollständigen Spezifikationsrahmen über alle fünf Qualitätsparameter hinweg.

Spezifische Anforderungen an das Dichtungsdesign für DRI-Öfen

DRI-Öfen stellen Anforderungen, die Dichtungskonstruktionen für Zementöfen nicht immer vollständig abdecken [1][3]:

Temperaturprofil. Die Austragszone des DRI-Ofens arbeitet bei 200–400 °C, niedriger als die 900–1.100 °C am Auslauf eines Zementofens. Das klingt einfacher, aber die niedrigere Temperatur bedeutet, dass das Eisenschwamm noch nicht inert ist. Dichtungskonstruktionen, die nur auf Hochtemperatur-Abriebfestigkeit optimiert sind, können bei der Aufgabe der Atmosphärenkontrolle, die an der Kühler-Schnittstelle am wichtigsten ist, versagen.

Abrasive Feinstoffe. Koks- und Eisenerzfeinstoffe sind hochgradig abrasiv. Dichtungselemente, die dem kontinuierlichen Abrieb durch Feinstaub nicht standhalten, entwickeln Mikrolücken, die über eine Kampagne hinweg kumulativ einen signifikanten Lufteintritt ermöglichen.

Integrität der Atmosphäre, nicht nur Volumenreduzierung. Bei Zement ist das Ziel, Falschluft auf ein akzeptables Maß zu reduzieren. Bei DRI ist das Ziel am Austragsende ein Sauerstoffeintritt von nahezu null. Dies ist eine strengere Spezifikation und erfordert ein Dichtungsdesign, das die Kontaktkraft und Anpassungsfähigkeit bei thermischen Wechselbeanspruchungen aufrechterhält.

Ein Duplex-Ofendichtungssystem bietet an jeder Dichtungsposition eine primäre und eine sekundäre Dichtungsbarriere. Wenn die Primärdichtung während einer Kampagne verschleißt, hält die Sekundärbarriere die Atmosphärenkontrolle bis zum nächsten geplanten Wartungsfenster aufrecht. Hochtemperatur-Radialdichtungen werden dort eingesetzt, wo die Geometrie der Ofenhaubenschnittstelle eine radiale Kontaktkraft anstelle einer axialen Kompression erfordert.

Betriebliche Vorteile eines gut abgedichteten DRI-Ofens

Eine effektive Ein- und Auslaufabdichtung in einer DRI-Anlage bietet drei messbare betriebliche Vorteile, die über den Schutz der Metallisierung hinausgehen.

Stabile Atmosphärenkontrolle. Eine dichte Abdichtung hält das CO/CO2-Verhältnis in der Reduktionszone stabil und reduziert die Häufigkeit manueller Anpassungen an Luftöffnungen und Kohleeinblasung. Betreiber berichten, dass ein gut abgedichteter Ofen einfacher konstant gemäß Spezifikation zu betreiben ist.

Geringerer spezifischer Kohleverbrauch. Lufteintritt verursacht eine parasitäre Verbrennung von CO und flüchtigen Bestandteilen der Kohle, bevor diese die Reduktionszone erreichen. Die Eliminierung des Eintritts bedeutet mehr Reduktionsgas pro Tonne aufgegebener Kohle, was die Effizienz des Kohle-zu-Metallisierung-Prozesses verbessert.

Längere Kampagnenintervalle. Geplante Dichtungswartungen können in den Kampagnenplan des Ofens integriert werden. Notabschaltungen aufgrund von Dichtungsversagen gehören zu den störendsten Ereignissen in einer DRI-Anlage, da ungeplante Stillstände den thermischen stationären Zustand unterbrechen, den der Ofen für eine gleichbleibende Produktqualität benötigt.

Für Anlagen in der metallurgischen Industrie wirkt sich die Zuverlässigkeit der Dichtungen direkt auf die Lieferzuverlässigkeit aus. Oswals Installations- und Nachrüstservice umfasst sowohl die Spezifikation von Dichtungen für Neuanlagen als auch die Nachrüstung bestehender Ofenhauben, bei denen die Dichtungsleistung nachgelassen hat.