Der Produktionsprozess von Schwammeisen / DRI erklärt

Schwammeisen, auch als direktreduziertes Eisen (DRI) bezeichnet, ist Eisen, das durch die Reduktion von Eisenerz zu metallischem Eisen im festen Zustand unterhalb des Schmelzpunktes von Eisen hergestellt wird, ohne dass eine flüssige Schmelze entsteht. Es ist der Einsatzstoff, der die Stahlherstellung im Lichtbogenofen revolutioniert hat und wird in Indien in größerem Umfang produziert als irgendwo sonst auf der Welt: Indien produzierte 2024 54,7 Millionen Tonnen DRI, etwa 39 % der weltweiten Gesamtmenge von 140,8 Millionen Tonnen, und ist seit 2003 jedes Jahr der weltweit größte Produzent [1][2]. Dieser Leitfaden behandelt, was Schwammeisen ist, die zwei Produktionsrouten (kohlebasiert und gasbasiert), den Drehrohrofenprozess Schritt für Schritt mit seinem Temperaturprofil und seinen Betriebsparametern, warum die Ofenabdichtung bei DRI ein schwierigeres Problem darstellt als bei Zement, die betrieblichen Herausforderungen, mit denen jeder DRI-Ofen zu kämpfen hat, die Stoffbilanz und die Wirtschaftlichkeit der Anlage.

Was ist Schwammeisen / direktreduziertes Eisen (DRI)?

Schwammeisen ist Eisenerz, dem der Sauerstoff durch ein Reduktionsgas (Kohlenmonoxid und Wasserstoff) bei Temperaturen unterhalb des Schmelzpunktes von Eisen entzogen wurde, wodurch ein poröses, metallisches Eisenprodukt zurückbleibt, das die Form des ursprünglichen Erzpartikels beibehält. Da das Erz niemals geschmolzen wird, wird die Reduktion als direkt bezeichnet, daher „direktreduziertes Eisen“. Das Produkt wird hauptsächlich als sauberer, konsistenter Einsatzstoff für Lichtbogenöfen und Induktionsöfen verwendet, wo es Schrott ersetzt.

Indien dominiert diesen Prozess. Von den 140,8 Millionen Tonnen DRI, die 2024 weltweit produziert wurden, entfielen 54,7 Millionen Tonnen auf Indien, etwa 39 % – der größte Anteil aller Länder und mehr als die der beiden nächstgrößeren Produzenten zusammen [1][2]. Diese Konzentration ist der Grund dafür, dass die metallurgischen Ofenanwendungen, die Oswal bedient, stark auf indische Schwammeisenwerke ausgerichtet sind und warum die unten aufgeführten Betriebsdetails auf den kohlebasierten Drehrohrofen zugeschnitten sind, der die indische Flotte dominiert.

Schwammeisen (direktreduziertes Eisen, DRI): Eisen, das durch Reduktion von Eisenoxid zu metallischem Eisen im festen Zustand bei 800–1.100 °C unter Verwendung von Kohlenmonoxid und Wasserstoff aus Kohle oder Erdgas hergestellt wird. Das Erz wird niemals geschmolzen; Sauerstoff wird chemisch entzogen, wodurch eine poröse metallische Struktur zurückbleibt.

Der Name „Schwamm“ ist wörtlich zu nehmen. Das Entziehen von Sauerstoff aus dem Erzgitter hinterlässt Hohlräume, in denen sich früher die Sauerstoffatome befanden, sodass das reduzierte Partikel von Poren durchzogen ist und unter Vergrößerung wie ein metallischer Schwamm aussieht. Diese poröse Struktur wird im Begleitartikel warum es Schwammeisen genannt wird ausführlicher behandelt.

Metallisierungsgrad: der Prozentsatz des Gesamteisens im Produkt, der als metallisches Eisen und nicht als restliches Eisenoxid vorliegt. Metallisierungsgrad = (metallisches Eisen / Gesamteisen) x 100. Kommerzielles DRI strebt 90 % oder mehr an; gasbasiertes Produkt erreicht 92–95 %, kohlebasiertes Drehrohrofenprodukt etwa 92–93 % [3][4].

Kohlebasierte vs. gasbasierte DRI: die zwei dominierenden Routen

Es gibt zwei kommerzielle Routen zur Herstellung von Schwammeisen, die sich durch das Reduktionsmittel und den Reaktor unterscheiden: Die kohlebasierte Route verwendet nicht-verkokende Kohle in einem geneigten Drehrohrofen, und die gasbasierte Route verwendet reformiertes Erdgas in einem vertikalen Schachtofen. Weltweit ist die Gasroute größer (etwa 68,5 % der Produktion von 2024), da sie für gasreiche Regionen wie den Nahen Osten und Nordamerika geeignet ist; die Kohleroute (etwa 31,5 %) konzentriert sich auf Indien, das etwa 92,8 % der weltweiten Kapazität für kohlebasiertes DRI hält [2][5].

Die Wahl wird durch die Verfügbarkeit der Einsatzstoffe bestimmt, nicht durch eine inhärente Überlegenheit. Indien baute seine DRI-Industrie auf heimischer nicht-verkokender Kohle und zahlreichen kleinen Drehrohröfen auf, da Erdgas knapp und teuer war; der Nahe Osten und Nordafrika bauten ihre Industrie auf billigem Erdgas und großen Schachtöfen auf. Beide Routen produzieren ein ähnliches Produkt, laufen jedoch bei unterschiedlichen Temperaturen, Maßstäben und Metallisierungsgraden.

Quellen pro Zeile. Globale Routenaufteilung und Geografie gemäß Midrex World Direct Reduction Statistics [2][5].

Die Kohleroute wird ausführlich unter kohlebasierte Schwammeisenproduktion, die Gasroute unter gasbasierte DRI-Direktreduktion und die direkten Vor- und Nachteile unter kohlebasierte vs. gasbasierte DRI behandelt. Der Rest dieses Leitfadens konzentriert sich auf den kohlebasierten Drehrohrofen, da dies die dominierende Route auf Oswals Primärmarkt ist und diejenige, bei der die Ofenabdichtung das entscheidende technische Problem darstellt.

Der DRI-Drehrohrofenprozess: Fluss, Temperaturprofil, Verweilzeit

Der kohlebasierte DRI-Drehrohrofen führt das Material durch vier benannte Stufen entlang eines einzigen geneigten Rohrs: Vorwärmen, Reduktion und anschließende Entladung in einen separaten Drehkühler. Eisenerz (Stückerz oder Pellets), nicht-verkokende Kohle und ein kleines Dolomit-Flussmittel werden am erhöhten Einlaufende aufgegeben; der Ofen dreht sich langsam und ist um etwa 2,5 Grad geneigt, sodass das Bett über etwa 7 bis 8 Stunden in Richtung des Auslaufendes wandert [3].

Der Prozessfluss nach benannten Stufen:

1. Beschickung. Klassiertes Eisenerz, nicht-verkokende Kohle und Dolomit gelangen in das erhöhte Einlaufende. Ein Teil der Kohle wird auch vom Auslaufende aus injiziert, während sie sich durch den Ofen bewegt.
2. Vorwärmzone. Die ersten 40–50 % der Ofenlänge. Das Einsatzgut wird auf 600–800 °C erhitzt; Feuchtigkeit und flüchtige Bestandteile der Kohle werden ausgetrieben und verbrannt [3].
3. Reduktionszone. Die heiße Zone bei 1.000–1.100 °C, in der das aus der Kohle erzeugte Kohlenmonoxid Eisenoxid im festen Zustand zu metallischem Eisen reduziert. Hier findet die Metallisierung statt [3].
4. Entladung und Kühlung. Das heiße Schwammeisen verlässt den Ofen und gelangt in einen separaten wassergekühlten Drehkühler, wo es unter nicht-oxidierenden Bedingungen auf etwa 100 °C abgekühlt wird, bevor eine magnetische Trennung das Produkt-DRI von der verbrauchten Kohle (Char) trennt [3].

Das Temperaturprofil ist das Rückgrat des Prozesses. Ist es zu kühl, ist die Reduktion unvollständig (niedriger Metallisierungsgrad). Ist es zu heiß, sintert das Bett zu Anbackungen, die zu Ringen anwachsen – das unten beschriebene Ausfallphänomen.

Quelle: IspatGuru, kohlebasierter Direktreduktions-Drehrohrofenprozess [3].

Der Ofen wird durch die Verbrennung der flüchtigen Kohlebestandteile und des Kohlenmonoxids, das das Bett verlässt, befeuert; die Luft für diese Verbrennung wird entlang der Ofenlänge durch hitzebeständige, am Ofenmantel montierte Luftrohre injiziert. Das Luft-Brennstoff-Verhältnis entlang des Ofens sorgt dafür, dass das Bett reduzierend bleibt, während der Freiraum darüber das Abgas verbrennt [3]. Das numerische Betriebsspektrum für eine typische indische kohlebasierte Anlage:

Der Drehrohrofen selbst ist mechanisch ähnlich wie ein Ofen für die Zementherstellung: ein geneigter, rotierender Stahlmantel, feuerfest ausgekleidet, auf Laufrollen gelagert, mit einer stationären Haube an jedem Ende. Die Metallurgie im Inneren ist jedoch das Gegenteil. Ein Zementofen betreibt eine oxidierende Flamme, um das Mehl zu sintern; ein DRI-Ofen muss das Bett reduzierend halten, was die Anforderungen an die Abdichtung grundlegend ändert.

Warum die Ofenabdichtung bei DRI wichtig ist: Reduzierende Atmosphäre erfordert nahezu null Lufteintritt

In einem DRI-Drehrohrofen muss das Innere eine reduzierende Atmosphäre aufrechterhalten. Daher oxidiert jede Luft, die durch eine verschlissene Dichtung eingesaugt wird, das frisch reduzierte Schwammeisen wieder, senkt den Metallisierungsgrad und verschwendet Reduktionsmittel. Dies ist der wichtigste Unterschied zwischen DRI- und Zementabdichtungen: In einem Zementofen ist Lufteintritt (Falschluft) ein Effizienzverlust; in einem DRI-Ofen ist es ein Fehler bei der Produktqualität und Prozesssteuerung.

Reduzierende Atmosphäre: eine Ofengasumgebung mit einem hohen Verhältnis von Kohlenmonoxid und Wasserstoff zu Kohlendioxid und Sauerstoff, die dem Eisenoxid Sauerstoff entzieht, anstatt ihn hinzuzufügen. Die Aufrechterhaltung erfordert den Ausschluss von Umgebungsluft, die 20,9 % Sauerstoff enthält, aus der Reduktionszone.

Betrachten Sie den direkten Kontrast. Bei Zement kostet unkontrollierter Lufteintritt, sogenannte Falschluft, etwa 1,5–2,5 kcal/kg Klinker pro Prozentpunkt und belastet das Saugzuggebläse, ruiniert aber nicht den Klinker; die Strafe sind Brennstoff- und Stromkosten. Bei DRI verursacht dasselbe Leck direkten chemischen Schaden: Sauerstoff, der die Reduktionszone erreicht, oxidiert metallisches Eisen zurück zu FeO, sodass der Metallisierungsgrad unter die kommerzielle Untergrenze von 90 % fällt und das Produkt abgewertet oder abgelehnt wird. Die ökonomische Logik einer Ofendichtung kehrt sich daher um. Bei Zement zahlt sich die Dichtung durch Brennstoffeinsparungen aus; bei DRI schützt sie den verkaufsfähigen Produktausstoß und die Kontrolle der reduzierenden Atmosphäre, von der der gesamte Prozess abhängt.

Deshalb sind die Abdichtungstoleranzen an den Schnittstellen von Ofeneinlauf und -auslauf bei DRI enger als bei fast jeder anderen Drehrohranwendung, die Oswal bedient. Der rotierende Mantel dehnt sich immer noch radial aus, bewegt sich axial durch thermische Ausdehnung und weist eine Restovalität auf, sodass eine starre Dichtung immer noch versagt. Doch hier wird die Konsequenz einer defekten Dichtung in verlorenem Metallisierungsgrad gemessen, nicht nur in verlorenem Brennstoff. Das Duplex-Ofenabdichtungssystem kombiniert Lamellenflexibilität zur Bewegungsanpassung mit Graphitbeständigkeit für die hochtemperaturige, abrasive und staubige Auslaufschnittstelle, und hochtemperaturige Radialdichtungen bewältigen die radiale Bewegung am heißen Ende. Der vollständige DRI-spezifische Abdichtungsfall, einschließlich der Technik der reduzierenden Atmosphäre und der Details der Ein-/Auslaufschnittstelle, findet sich unter Ofenabdichtung in DRI-Anlagen.

Häufige betriebliche Herausforderungen bei DRI-Öfen: Anbackungen, Ringbildung, Verstopfungen

Das dominierende betriebliche Problem in einem kohlebasierten DRI-Ofen ist die Anbackung: klebrige, niedrigschmelzende Ablagerungen, die sich auf dem feuerfesten Material aufbauen, zu Ringen anwachsen, die den Ofenquerschnitt verengen und den Ofen zur Reinigung zum Stillstand zwingen. Anbackungen sind für den Großteil der ungeplanten Stillstände von DRI-Öfen verantwortlich [3][6]. Die anderen wiederkehrenden Probleme sind Verstopfungen der Luftrohre und Schwankungen des Metallisierungsgrades, die durch Temperatur- und Gasbilanzinstabilität verursacht werden.

Anbackungen entstehen, wenn feine Partikel in der Nähe des Beschickungsendes agglomerieren oder wenn das Bett in der Nähe des Auslaufendes sintert, weil die Temperatur zu hoch oder das Kohlenstoff-Eisen-Verhältnis zu niedrig war [3]. Niedrigschmelzende komplexe Verbindungen in der Gangart und Asche (z. B. Eisen-Alkali-Silikate) erweichen, binden Partikel an die Wand, und die Ablagerung wächst Ring für Ring. Der praktische Steuerungshebel ist die Temperatur: Die Bediener halten die Reduktionszone gezielt im Bereich von 1.000–1.100 °C, da ein Überschreiten die Ringbildung stark beschleunigt [3][6].

Lufteintritt durch eine degradierte Dichtung liegt gleichzeitig zwei dieser Zeilen zugrunde: Er oxidiert das Produkt wieder (Zeile Metallisierungsgrad) und stört das sorgfältig profilierte Luft-Brennstoff-Gleichgewicht, das der Bediener nutzt, um das Bett reduzierend und die Temperatur im Bereich zu halten. Ein Ofen, der schwer zu steuern ist, mit driftendem Metallisierungsgrad und zunehmender Ringfrequenz, beschreibt oft ein Abdichtungsproblem, das noch niemand quantifiziert hat – dasselbe Muster, das Oswal bei Zement mit Falschluft sieht.

Stofffluss: Eisenerz + Kohle/Gas zu Schwammeisen + Char/CO2

Der kohlebasierte DRI-Ofen ist ein Festbettreaktor, dessen Eingangsstoffe Eisenerz, nicht-verkokende Kohle und ein Dolomit-Flussmittel sind und dessen Ausgangsstoffe Schwammeisen, verbrauchte Kohle (Char) und ein kohlenmonoxidreiches Abgas sind. Grob gesagt liefert der Kohlenstoff in der Kohle sowohl die Wärme (durch Verbrennung im Freiraum) als auch das Reduktionsmittel (als Kohlenmonoxid, das im Bett erzeugt wird), während der Dolomit den Schwefel aus der Kohle bindet.

Die Char- und Abwärmeströme sind ein prägendes Merkmal des indischen DRI-Sektors. Das Kohlenmonoxid, das das Bett verlässt, wird nachverbrannt, die Wärme wird üblicherweise in einem Abwärmekessel zur Eigenstromerzeugung genutzt, und die verbrauchte Kohle wird in benachbarten Wirbelschichtkesseln verfeuert, sodass ein Schwammeisenwerk und ein Eigenkraftwerk meist als eine Einheit gebaut werden. Diese Integration ist ein Grund dafür, warum kohlebasiertes DRI in Indien trotz seiner höheren Kohlenstoffintensität gegenüber der Gasroute wirtschaftlich bleibt.

Wirtschaftlichkeit von DRI-Anlagen: Anteil der Energie- und Rohstoffkosten

In einem kohlebasierten DRI-Werk sind die Rohstoffe (Eisenerz plus nicht-verkokende Kohle) der dominierende Kostenfaktor, und die Schwankung ihrer Preise ist der wichtigste Treiber für die Marge bei Schwammeisen. Der Prozess ist energieintensiv: Er verbraucht etwa 6 Gcal Brennstoffenergie pro Tonne DRI [3], und da Kohle sowohl Brennstoff als auch Reduktionsmittel ist, bestimmen die Kohle- und Eisenerzpreise zusammen den Bodenpreis. Indisches Schwammeisen auf dem Primärmarkt wurde 2025 bei etwa 26.000–31.000 Rupien pro Tonne gehandelt, was sich weitgehend mit den Inputkosten für Eisenerz und Kohle bewegte [7].

Zwei strukturelle Faktoren halten die Kohleroute in Indien wettbewerbsfähig, trotz ihres niedrigeren Metallisierungsgrades und ihres höheren CO2-Fußabdrucks im Vergleich zur Gasroute. Erstens: Eigenstrom – die oben beschriebenen Abwärme- und Char-Ströme kompensieren einen bedeutenden Teil der Stromkosten der Anlage. Zweitens: Skalenflexibilität – ein kohlebasierter Ofen läuft wirtschaftlich bei 30.000–150.000 Tonnen pro Jahr [3], weit kleiner als ein gasbasiertes Schachtofenmodul, was es Indien ermöglichte, DRI-Kapazitäten in kleinen, verteilten Anlagen in der Nähe von Erz und Kohle aufzubauen, anstatt in wenigen Mega-Einheiten.

Der zukunftsorientierte wirtschaftliche Druck ist der Kohlenstoff. Kohlebasiertes DRI ist kohlenstoffintensiv, und die Iron and Steel Technology Roadmap der Internationalen Energieagentur prognostiziert, dass bis 2050 44 % der Eisenproduktion aus wasserstoffbasierten Prozessen stammen werden, wobei wasserstoffbasiertes DRI einen großen Anteil einnimmt, unterstützt im Falle Indiens durch kostengünstigen Solarstrom [8]. Für die bestehende kohlebasierte Flotte ist dieser Übergang ein Horizont von über einem Jahrzehnt; kurzfristig belohnt die Wirtschaftlichkeit den Ertrag (Metallisierungsgrad und Verfügbarkeit), wo die Integrität der reduzierenden Atmosphäre und die Ofenverfügbarkeit – beides Funktionen der Abdichtung – direkt in die Marge einfließen. Wenn Sie eine Abdichtungsnachrüstung gegen verlorenen Metallisierungsgrad und ungeplante Ausfallzeiten an einem bestimmten Ofen kalkulieren, bewertet das Engineering-Consulting-Team diesen Fall genauso wie ein Falschluft-Audit bei Zement.