Mechanismen der Siliziumaufnahme von Roheisenschmelzen während stationärer und instationärer Hochofenbetriebszustände

Fischer, Michael

Der Hochofenprozess ist bis heute das führende Verfahren in der Welt auf der Stahlerzeugungsroute. Demzufolge sind kontinuierliche Prozessverbesserungen notwendig, um die metallurgischen und wirtschaftlichen Ergebnisse der Hochofentechnologie zu optimieren. Im Hinblick auf den Siliziumgehalt im Roheisen ist die heutige Herausforderung im stationären Betriebszustand diesen konstant auf einem niedrigen Niveau zu halten. Nach instationären Betriebszuständen ist der Siliziumgehalt nicht kontrollierbar und wird mit deutlich höheren Gehalten abgestochen, als vom Stahlwerk vorgegeben. In den 60iger Jahren wurden von Rein und Chipman die Gleichgewichte zwischen siliziumreichen Schlacken und kohlenstoffgesättigtem Eisen hinreichend erforscht. Dabei sind aber die Aufnahmemechanismen zwischen der Schlacke und dem Roheisen im Hochofenbetrieb bis heute nicht eindeutig geklärt. Die theoretischen Ansätze aus der Literatur werden dazu diskutiert. Um den Vorgang der Siliziumaufnahme in Roheisenschmelzen zu verdeutlichen, wurden Tiegelexperimente am Institut für Metallurgie in Clausthal durchgeführt, die die unterschiedliche Austauschformen zwischen Silizium und Roheisen in einem Hochofen darstellen. Dabei wurden Experimente durchgeführt, bei denen der Fokus auf der Grenzflächenreaktion lag. Zusätzlich wurden Versuche erstellt, die die Gasphase berücksichtigt. Die Erkenntnisse, die in den Tiegelexperimenten erhalten wurden, konnten mit Koks und Eisenmöllerproben aus dem Versuchshochofen in Luleå (Schweden) bestätigt werden. Des Weiteren konnten diese Ergebnisse mit der Auswertung von Abstichdaten bei industriellen Hochöfen nachgewiesen werden. Anhand dieser Untersuchungsergebnisse konnten die Aufnahmemechanismen von Silizium in Roheisenschmelzen dargestellt und die im Ofen verantwortlichen Parameter selektiert werden. Durch diese Bewertung kann der Prozess vor geplanten instationären Prozessen angepasst werden, so dass der Siliziumgehalt nach dem Wiederanblasen im Roheisen nicht überschlägt. Mit diesen Untersuchungsergebnissen können weiter die statistischen Vorhersagemodelle für Silizium im Roheisen kritisch betrachtet werden. Für diese Modelle wurden Messdaten verwendet, die außerhalb des Ofens aufgenommen werden, jedoch ist die Siliziumreaktion eine Reaktion die von der Thermodynamik, Kinetik und Strömungsmechanik abhängig ist. Diese Faktoren sind bisher bei den bisherigen Modellen nicht beachtet worden.

The blast furnace process is the most important route of steel production. Therefore continuous process improvements are necessary to optimize the metallurgical and economic results of the blast furnace technologies. Regarding the pig iron silicon content the difficulty is not a low value in principle, but a constant one. After e.g. shut downs the silicon content is not controllable and pig iron will be taped with higher silicon content as required by the steel mill. During the 60th’s Rein and Chipman investigated sufficient equilibria between silicon rich slag and carbon saturated iron.Allthogh, the absorption mechanism between slag and iron in the blast furnace are not clear. The theoretical approaches will be discussed in this work. To illustrate the process of absorbing silicon in pig iron, experiments were executed at the institute of metallurgy in Clausthal. Two different experiments were performed. On the one hand experiments were made to investigate the reaction at the interface, on the other hand the focus was on the gas phase. The knowledge of those experiments was also confirmed at coke and burden samples of the experiment blast furnace in Luleå (Sweden). Furthermore it was also found in tapping data of industrial blast furnaces. With these results the absorption mechanism of silicon in pig iron melts can be described. The most important parameter of the blast furnace process could be selected. By this analysis the process can be adjusted before shut downs, so the silicon content increase not too much. With this investigation the statistic prediction models for silicon in pig iron can be examined. For these models measured data were used, which were be taken outside the furnace or out of process gas. The silicon reaction depends on thermodynamic, kinetic and fluid mechanism. These factors are not used in the previous models.

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Fischer, Michael: Mechanismen der Siliziumaufnahme von Roheisenschmelzen während stationärer und instationärer Hochofenbetriebszustände. Clausthal-Zellerfeld 2016.

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