Warum wird Schwammeisen als „Schwamm“-Eisen bezeichnet?

Schwammeisen wird als „Schwamm“-Eisen bezeichnet, da die Entfernung von Sauerstoff aus festem Eisenerz eine poröse, wabenartige Mikrostruktur hinterlässt: ein zusammenhängendes Netzwerk aus metallischen Eisenwänden und offenen Poren, das dem Querschnitt eines Badeschwamms sehr ähnelt. Das Direktreduktionsverfahren entfernt den Sauerstoff, ohne das Eisen zu schmelzen, sodass das durch den austretenden Sauerstoff entstandene Porennetzwerk dauerhaft im Produkt fixiert bleibt. Die Porosität liegt typischerweise bei 20–40 Vol.-% [1]. Der Name ist eine physikalische Beschreibung, keine Marken- oder Gütebezeichnung.

Dieser Artikel ist die Ergänzung zu Produktionsprozess von Schwammeisen und befasst sich spezifisch mit der Morphologie.

Die Festkörperphysik hinter dem Porennetzwerk

Die Morphologie ist eine direkte Folge der Art und Weise, wie Sauerstoff das Eisenoxidgitter verlässt. Bei einem typischen Hämatit-Einsatz (Fe2O3) machen Sauerstoffatome etwa 30 % der Masse des Minerals aus. Wenn CO und H2 diesen Sauerstoff bei 800–1.050 °C aus dem Gitter lösen, kollabieren die verbleibenden Eisenatome nicht zu einem dichten Festkörper: Sie ordnen sich in einer kubisch-raumzentrierten (KRZ) Eisenkristallstruktur an, die ein geringeres Volumen einnimmt als das ursprüngliche Oxid. Das Volumen, das der Sauerstoff zuvor einnahm, wird zum Hohlraum. Da die Reaktionsfront durch das Pellet nach innen wandert, anstatt es zu schmelzen, bleiben die Hohlräume offen und miteinander verbunden. Der Massenverlust liegt in der Größenordnung von 27–30 % [2], und die resultierende Porosität von 20–40 Vol.-% [1] verleiht dem Produkt unter dem Mikroskop sein schwammartiges Aussehen.

Die Geometrie des Porennetzwerks wird durch die Reduktionssequenz Fe2O3 zu Fe3O4 zu FeO zu Fe bestimmt, die als wandernde Front durch das Pellet fortschreitet. Reduktionsgas muss durch die Poren, die die früheren Sauerstoffatome hinterlassen haben, nach innen diffundieren, und die Produktgase (CO2 und H2O) müssen durch dieselben Kanäle wieder nach außen diffundieren. Dies ist der Grund, warum das Porennetzwerk zusammenhängend ist und nicht aus isolierten Blasen besteht: Die Geometrie wird durch die Anforderung diktiert, dass das Gas den unreduzierten Kern kontinuierlich erreichen muss. Mikrostrukturuntersuchungen in der metallurgischen Fachliteratur zeigen einige Mikrometer dicke Eisenwände, die Poren in etwa gleichem Maßstab trennen, wobei die äußeren Abmessungen des ursprünglichen Pellets im Wesentlichen erhalten bleiben.

Warum die Struktur für Stahlhersteller wichtig ist

Die poröse Geometrie ist der Grund, warum Schwammeisen kommerziell wertvoll und nicht nur metallurgisch interessant ist. Die innere Oberfläche ist groß und liegt in der Größenordnung von Quadratmetern pro Gramm. Deshalb schmilzt eine Schwammeisencharge in einem Lichtbogenofen schneller und gleichmäßiger als eine dichte Schrottcharge gleicher Masse. Das Porennetzwerk bietet zudem Kohlenstoff und schlackebildenden Zusätzen einen schnellen Diffusionspfad in das Eisen während des Schmelzens, was die Steuerung der Schmelzenchemie vereinfacht. Bei Flachstahlprodukten, bei denen Begleitelemente wie Kupfer, Zinn und Chrom unter wenigen hundert ppm bleiben müssen, ist diese Kombination aus geringen Begleitelementen (Schwammeisen enthält keine der im Schrott enthaltenen Fremdelemente) und berechenbarem Schmelzverhalten der Grund, warum DRI hochwertigem Schrott vorgezogen wird.

Dieselbe Porosität ist der Grund für die Existenz von heißbrikettiertem Eisen (HBI). Lose Schwammeisenpellets weisen eine hohe spezifische Oberfläche gegenüber der Atmosphäre auf. Nach dem Transport durch einen feuchten Hafen oxidieren sie langsam wieder, verlieren metallisches Eisen und setzen Wärme frei. Das Verdichten von heißem DRI bei etwa 650–700 °C zu kissenförmigen Briketts von etwa 50 mm × 30 mm × 110 mm lässt einen Großteil der offenen Porosität kollabieren, verringert die spezifische Oberfläche und erzeugt ein dichteres Produkt (etwa 5,0 t/m³ gegenüber 1,6–1,9 t/m³ bei kaltem DRI), das international als ungefährlich für den Versand eingestuft ist. Der Kompromiss besteht darin, dass HBI einige der Vorteile des ursprünglichen Schwammgefüges beim Schmelzen im Lichtbogenofen zugunsten eines sicheren Seetransports aufgibt.

Warum derselbe Name DRI aus sehr unterschiedlichen Verfahren umfasst

Die Bezeichnung „Schwamm“ gilt unabhängig davon, ob die Reduktion in einem Drehrohrofen mit Kohle als festem Reduktionsmittel oder in einem Schachtofen mit reformiertem Erdgas durchgeführt wurde. In beiden Fällen handelt es sich chemisch um eine Festkörperreduktion von Eisenoxid durch CO und H2; die Unterschiede liegen eher im Temperaturprofil, der Verweilzeit und der Gaszusammensetzung als in der resultierenden Morphologie. Ein kohlebasiertes Pellet aus einem 100-t/d-Drehrohrofen und ein Midrex-Pellet aus einem 2,5-Mt/a-Schachtofen zeigen beide unter dem Mikroskop die Wabenstruktur, auch wenn ihre Kohlenstoffgehalte (typischerweise 0,08–0,2 % aus dem Drehrohrofen und 1,5–2,5 % aus einem aufgekohlten Schachtofen) und ihre Metallisierungsgrade variieren. Die Artikel kohlebasierte Schwammeisenproduktion und gasbasierte DRI-Direktreduktion behandeln die verfahrensspezifischen Details. Indien produzierte 2024 54,7 Mio. Tonnen Schwammeisen, die weltweit größte nationale Produktionsmenge [3], wobei der Großteil aus kohlebasierten Drehrohröfen stammte.

Die kommerzielle Brücke: Warum die Dichtheit des Ofens den Schwamm schützt

In einer DRI-Anlage ist die Schwammstruktur nur so rein wie die reduzierende Atmosphäre, in der sie entstanden ist. Der Metallisierungsgrad (der Anteil des gesamten Eisens, der als metallisches Fe vorliegt, Zielwert 88–94 % für Stahlgüten) hängt davon ab, dass das Ofengas überwiegend aus CO und H2 besteht, während CO2 und H2O so niedrig gehalten werden, dass das Reduktionsgleichgewicht weiterhin metallisches Eisen gegenüber Wüstit (FeO) begünstigt. Falschluft, die durch verschlissene Dichtungen am Ofeneinlass oder -auslass eindringt, verschiebt dieses Gleichgewicht in die falsche Richtung: Sauerstoff verbrennt das Reduktionsmittel, erhöht den CO2-Partialdruck und oxidiert das frisch reduzierte Produkt teilweise wieder, bevor es den Ofen verlässt. Das sichtbare Symptom ist ein Metallisierungsgrad, der vom 90%-Bereich in Richtung 80 % abfällt, sowie ein fertiges Pellet, dessen Porosität durch Oxidationsränder um jedes Korn teilweise verschlossen ist. Die Lösung ist ein dichtes Abdichtungssystem an beiden Enden des Ofens, was in Ofenabdichtung für DRI-Anlagen im Detail behandelt wird.