Qualitätskontrolle von Eisenschwamm: Metallisierungsgrad, Kohlenstoffgehalt, Dichte

Die Qualität von Eisenschwamm (DRI) wird durch fünf messbare Parameter definiert: Metallisierungsgrad, Gesamteisengehalt, metallischer Eisengehalt, Kohlenstoffgehalt und scheinbare Dichte. Diese Parameter bestimmen, welcher Anteil der DRI-Charge im Lichtbogenofen (EAF) nutzbringend zu Stahl verarbeitet werden kann und mit welchen Energiekosten dies verbunden ist. Die indische Norm IS 15774:2018 (Bureau of Indian Standards) fasst die Spezifikationen in einer einzigen Referenz zusammen, die sowohl für kohlebasierte als auch für gasbasierte DRI gilt [1]. Dieser Artikel erläutert jeden Parameter, seine Formel, den typischen Bereich je nach Produktionsroute sowie die Faktoren, die zu Schwankungen auf Werksebene führen.

Was die Qualität von Eisenschwamm für Stahlhersteller bedeutet

DRI ist primär ein Einsatzmaterial für den Lichtbogenofen und ein Schrottsubstitut. Die Qualitätsprüfung beginnt beim Käufer. Ein Stahlhersteller, der einen DRI-Lieferanten auswählt, stellt sich folgende Fragen: Wie viel nutzbares Eisen enthält dieses Material, wie viel nicht-eisenhaltige Last (Gangart, Restsauerstoff) wird im Ofen erzeugt und welchen Beitrag leistet der Kohlenstoff zum Schmelzbad?

Jeder DRI-Qualitätsparameter wirkt sich direkt auf die Kosten im Lichtbogenofen aus. Ein niedriger Metallisierungsgrad bedeutet mehr Schlacke, längere Schmelzzeiten, höheren Elektrodenverbrauch und eine geringere Stahlausbeute pro Charge. Ein hoher Gangartgehalt erfordert mehr Zuschlagstoffe und mehr Energie zum Schmelzen. Ein niedriger Kohlenstoffgehalt bedeutet einen geringeren chemischen Energieeintrag in das Bad, wodurch die Energielast stärker auf die elektrische Energie verlagert wird [2].

Der Produktionsprozess von Eisenschwamm liefert ein Produkt, dessen Qualität von der Prozessroute, der Qualität von Erz und Kohle/Gas sowie der Regelungspräzision des Reduktionsreaktors abhängt. Warum das Material als Eisenschwamm bezeichnet wird, ist hier direkt relevant: Die poröse Mikrostruktur, die während der Festkörperreduktion entsteht, ist sowohl für die hohe Reaktivität (Gefahr der Rückoxidation) als auch für die hohe Oberflächenenergie verantwortlich, die von EAF-Betreibern geschätzt wird.

Metallisierungsgrad: die primäre Qualitätskennzahl

Der Metallisierungsgrad (DoM) ist das Verhältnis von metallischem Eisen zu Gesamteisen im DRI, ausgedrückt in Prozent. Es ist die wichtigste Qualitätskennzahl für DRI, da sie den Anteil des nutzbaren Eisens in der Charge definiert.

DoM (%) = (Fe_metallisch / Fe_gesamt) × 100

Wobei:

• Fe_metallisch = als Fe0 vorliegendes Eisen (reduziertes metallisches Eisen), Massenanteil oder g pro Probe
• Fe_gesamt = Gesamteisen in der DRI-Probe, einschließlich metallischem Eisen sowie Eisen, das noch in Restsauerstoffverbindungen (FeO, Fe2O3, Fe3O4) vorliegt, Massenanteil oder g pro Probe

Metallisierungsgrad: das Ausmaß, in dem Eisenoxide im Erz während des Reduktionsprozesses in metallisches Eisen umgewandelt wurden. Ausgedrückt als Prozentsatz von metallischem Eisen zu Gesamteisen. Ein Wert von 100 % würde bedeuten, dass das gesamte Eisen in metallischer Form ohne Restsauerstoff vorliegt; kommerzielles DRI liegt im Bereich von etwa 85 % bis 95 % [2][3].

Typische Bereiche nach Produktionsroute [1][2][3]:

Ein Rückgang des Metallisierungsgrades um 2 Prozentpunkte in einem 100-t/Tag-Ofen führt dazu, dass etwa 2 Tonnen metallisches Eisen pro Tag als Restsauerstoff im Produkt verbleiben. In einem 80-t-Lichtbogenofen, der mit einer DRI-reichen Charge betrieben wird, führt dies zu einem messbar höheren Schlackenvolumen, zusätzlichem Kalkverbrauch und längeren Abstichzeiten [4].

Ein niedriger Metallisierungsgrad verursacht: erhöhtes Schlackenvolumen (typischerweise 1 kg zusätzliche Schlacke pro Prozentpunkt DoM unter dem Zielwert), verlängerte Schmelzzeit (0,5-1 kWh/t zusätzliche Energie pro Punkt unter dem Ziel-Metallisierungsgrad), höheren Elektrodenverbrauch und eine geringere Ausbeute an flüssigem Stahl aus der Charge.

Gesamteisen und metallisches Eisen: Was das Analyseprotokoll zeigt

Der DRI-Analysebericht enthält zwei Eisenwerte, die Beschaffungsingenieure gemeinsam betrachten müssen: Gesamteisen (Fe_T) und metallisches Eisen (Fe_M).

Fe_T ist der kombinierte Gehalt an gesamtem Eisen im Material, metallisch und oxidgebunden. Fe_M ist nur der reduzierte, nutzbare Anteil. Die Differenz (Fe_T minus Fe_M) stellt die Restsauerstofflast dar, die der Stahlhersteller aus dem Bad schlackeabscheiden muss.

Quellen: IS 15774:2018 [1]; IspatGuru, Direct Reduced Iron [2]; askmemetallurgy.com Metallisierungsberechnung [3].

Der Gangartgehalt verdient bei der Beschaffung Aufmerksamkeit. Ein Lieferant, dessen Erz einen hohen Siliziumdioxidanteil aufweist, liefert DRI mit höherer Gangart, selbst wenn die Metallisierung nominell der Spezifikation entspricht. Das netto nutzbare Eisen pro Tonne DRI ist Fe_M abzüglich des metallischen Eisens, das der Stahlhersteller durch Schlackenmitriss verliert. Überprüfen Sie den Gangartgehalt anhand der Vertragsspezifikation; er ist für die Wirtschaftlichkeit des Lichtbogenofens ebenso wichtig wie die Metallisierung.

Kohlenstoffgehalt: die Variable mit der größten routenabhängigen Differenz

Der Kohlenstoffgehalt ist der am stärksten von der Route abhängige DRI-Qualitätsparameter. Kohlebasierter Eisenschwamm aus Drehrohröfen enthält typischerweise 0,08-0,2 % Kohlenstoff. Gasbasiertes DRI aus Schachtöfen enthält typischerweise 1,0-2,5 %, bei gezielt aufgekohltem Produkt manchmal mehr [2][5].

Dieser zehnfache Unterschied wird durch das Aufkohlungspotenzial des Reduktionsmediums bestimmt:

In einem kohlebasierten Drehrohrofen dient feste Kohle sowohl als Reduktionsmittel als auch als Brennstoff. Die flüchtigen Bestandteile der Kohle erzeugen CO und CO2 in der Gasphase, aber das Produkt-Eisen nimmt bei der Reduktionstemperatur nur sehr wenig Kohlenstoff in der Festphase auf. Der größte Teil des Kohlenstoffs wird bei der Verbrennung im Ofenfreiraum verbraucht.

In einem gasbasierten Schachtofen reduziert reformiertes Erdgas (CO + H2) das Erz im oberen Schacht, und das DRI wird anschließend im unteren Schacht durch ein methanhaltiges Kühlgas abgekühlt. Das Methan spaltet sich auf und lagert während der Abkühlung Kohlenstoff in die poröse Eisenstruktur ein: Dies ist der Aufkohlungsschritt. Die Betreiber können den Kohlenstoffgehalt durch Anpassung des Methananteils im Kühlgas steuern. Ein typischer Zielwert liegt bei 1,5-2,0 % Kohlenstoff.

Der Wert eines höheren Kohlenstoffgehalts für den Lichtbogenofen ist quantifizierbar: Jedes Kilogramm im Bad gelöster Kohlenstoff trägt etwa 2,3 kWh an chemischer Energie bei (durch die exotherme Verbrennung von C mit Sauerstoff im Bad) [4]. Für einen 100-t-Lichtbogenofen, der mit 300 kWh/t elektrischer Energie betrieben wird, liefert eine DRI-Mischung mit 2 % Kohlenstoff anstelle von 0,2 % Kohlenstoff signifikante Einsparungen an elektrischer Energie pro Schmelze.

IS 15774:2018 spezifiziert einen Mindestkohlenstoffgehalt für jede Route: gasbasiert mindestens 1,3 %; bei kohlebasiertem DRI behandelt die Norm Kohlenstoff primär als Obergrenzen-Thema (niedriger Schwefel, kontrollierter Kohlenstoff). In der Praxis liegt kohlebasiertes Produkt typischerweise bei 0,08-0,2 % Kohlenstoff, und das relevante Limit der Norm für kohlebasiertes DRI bezieht sich eher auf die Produktstabilität als auf einen Mindestkohlenstoffwert [1].

Scheinbare Dichte und Trommelindex: physikalische Qualitätsindikatoren

Die scheinbare Dichte misst die Masse pro Volumeneinheit einzelner DRI-Stücke (unter Ausschluss von Zwischenräumen). Der Trommelindex misst den Widerstand gegen Größenabbau während der Handhabung.

Scheinbare Dichte (g/cm3) = Masse der Probe / Volumen der Probe (Helium-Pyknometrie oder Wasserverdrängung)

Schüttdichte (g/cm3): die Masse pro Volumeneinheit einschließlich der Zwischenräume; relevant für die Dimensionierung von Bunkern und Trichtern, jedoch nicht für die Qualitätsspezifikation.

Der Trommelindex (Methode ISO 15967) wird gemessen, indem das DRI in einer Trommel mit definierter Geschwindigkeit und Zeit getrommelt und anschließend über einem 6,3-mm-Sieb gesiebt wird. Der Prozentsatz, der über 6,3 mm zurückgehalten wird, ist der Trommelindex. Ein niedriger Trommelindex (unter der Spezifikation) bedeutet eine signifikante Feinanteilsbildung während des Transports, der Becherwerksübergabe und der EAF-Beschickung. Feinanteile gehen im Abgassystem verloren oder führen zu Brückenbildungsproblemen in den EAF-Bunkern; die effektive Eisenausbeute pro Tonne eingesetztem DRI sinkt entsprechend.

Eine scheinbare Dichte unter der Spezifikation signalisiert typischerweise eine unvollständige Reduktion (hoher Restsauerstoff, niedriges Fe_M) oder eine übermäßige Porosität durch kohlenstoffreiche Kohle, bei der die Freisetzung flüchtiger Bestandteile eine ungewöhnlich offene Mikrostruktur hinterlassen hat. Als Warnsignal bei der Beschaffung rechtfertigt eine scheinbare Dichte, die konstant unter 3,2 g/cm3 liegt, eine Untersuchung der Kohlequalität des Lieferanten und des Temperaturprofils des Ofens.

Wie Ofenbetriebsbedingungen die Qualitätsvarianz beeinflussen

In einem kohlebasierten Drehrohrofen reagieren Metallisierungsgrad und Kohlenstoffgehalt direkt auf das Temperaturprofil, die Verweilzeit, die Kohlequalität und die Dichtigkeit an den Ein- und Auslaufhauben.

Temperatur: Spitzenreduktion in der Zone von 950-1.050 °C. Unter 900 °C verlangsamt sich die Kinetik der Eisenoxidreduktion erheblich; auch die Boudouard-Reaktion (C + CO2 → 2CO), die das Reduktionsgas erzeugt, verlangsamt sich. Über 1.100 °C wird die Anbackung (Ringbildung durch an der feuerfesten Auskleidung haftende Schlacke) zum dominierenden betrieblichen Engpass.

Verweilzeit: typischerweise 8-12 Stunden für einen 60-100 m langen kohlebasierten DRI-Drehrohrofen. Eine kürzere Verweilzeit bedeutet eine geringere Metallisierung bei gegebener Kohlequalität. Die Betreiber verlängern die Verweilzeit durch Reduzierung des Durchsatzes, was jedoch die Produktionsrate senkt.

Kohlequalität: Der Gehalt an fixem Kohlenstoff (typischerweise 25-35 %) und flüchtigen Bestandteilen (22-30 %) bestimmt direkt die Erzeugungsrate des Reduktionsgases pro Tonne eingesetzter Kohle. Der spezifische Kohleverbrauch für DRI aus Drehrohröfen liegt typischerweise bei 950-1.000 kg Kohle pro Tonne DRI, was 21-23 GJ/t DRI entspricht [5]. Kohle außerhalb der Spezifikation verschlechtert sowohl die Metallisierung als auch die Konsistenz.

Dichtigkeit: Lufteintritt an der Auslaufdichtung verursacht eine Rückoxidation des fertigen DRI bei 200-400 °C. Ein anhaltender Falschlufteintritt von 5-10 % am Auslauf kann die Metallisierung um 2-4 Prozentpunkte gegenüber dem Zielwert im Ofen senken. Deshalb ist die Ofenabdichtung in DRI-Anlagen ein Thema der Produktqualität und nicht nur der Energieeffizienz. Die Duplex-Dichtungssysteme von Oswal für metallurgische Öfen sind speziell darauf ausgelegt, die atmosphärische Integrität am Ofenauslauf über den gesamten Zeitraum zwischen geplanten Wartungsstillständen aufrechtzuerhalten.