Ressourcenschonende Erzeugung von hochwertigen Mangan-Ferrolegierungen für hochmanganhaltige Stähle

Hochmanganhaltige Stähle bieten hervorragende mechanische Eigenschaften in Kombination mit einer verringerten Dichte und einem kostengünstigen Legierungskonzept. Ihr Mangangehalt liegt mit rd. 10 bis 30 Gew.-% wesentlich höher als in konventionellen Stählen. An die manganhaltigen Legierungsmittel zur Stahlerzeugung werden daher hohe Anforderungen gestellt. Dies betrifft sowohl deren chemische Zusammensetzung als auch die Ressourceneffizienz, Umweltverträglichkeit und Wirtschaftlichkeit ihrer Erzeugung.

Die vorliegende Arbeit erörtert zunächst den Stand der Technik manganhaltiger Rohstoffe und Legierungsmittel sowie die Raffination hochmanganhaltiger Stahlschmelzen:

Handelsübliche Manganerze sind nur begrenzt verfügbar und weisen i. d. R. beträchtliche Gehalte an Eisen und Phosphor auf. Letzterer lässt sich durch Erzaufbereitung nicht ausreichend entfernen. Alternative, arme Manganerze mit noch höheren Gehalten an Eisen und Phosphor sind weltweit reichlich vorhanden und umfassend nutzbar zu machen. Gleiches gilt für Reststoffe wie manganreiche Stahlwerksschlacken und -stäube.

Unter den herkömmlichen Mangan-Legierungsmitteln, d. h. Ferro- und Silicomangan sowie elektrolytisches Manganmetall, ist letzteres wohl die erste Wahl zur Erzeugung hochmanganhaltiger Stähle. Es weist jedoch gravierende Nachteile auf: Eine energieintensive, umweltbelastende Herstellung, hohe Gehalte an Selen und Wasserstoff in Standardsorten sowie hohe Kosten insbesondere für ggf. erforderliche Spezialsorten.

Die Raffination hochmanganhaltiger Stahlschmelzen ist aus thermodynamischer Sicht für Silicium, Kohlenstoff, Schwefel und Wasserstoff in hinreichendem Maße möglich. Hingegen lässt sich Phosphor nur unzureichend entfernen, so dass der Phosphorgehalt der eingesetzten manganhaltigen Legierungsmittel von besonderer Bedeutung ist.

Infolgedessen besteht ein Bedarf nach weiterentwickelten Prozessen zur ressourcen- und umweltschonenden Gewinnung von hochwertigen Mangan-Ferrolegierungen.

Zu diesem Zweck konzipiert die vorliegende Arbeit eine großtechnische, pyrometallurgische Gewinnungsroute, die eine Modifikation bzw. Erweiterung der konventionellen Prozesse darstellt. Sie basiert auf den Prinzipien der mehrstufigen selektiven Reduktion sowie der selektiven Oxidation. Ihr wesentliches Merkmal ist die zweistufige Erzeugung einer eisen- und phosphorarmen Manganschlacke als hochwertiges Zwischenprodukt aus minderwertigen Roh- und Reststoffen, wobei Roheisen bzw. -stahl als Koppelprodukt anfällt. Die Gewinnungsroute gliedert sich in vier Prozessstufen: 1. Festkörperreduktion, 2. Schmelztrennung, 3. Erzeugung von Silicomangan, 4. Entsilicierung von Silicomangan.

Die Untersuchung der einzelnen Prozessstufen erfolgt anschließend im Dreiklang aus technologisch orientierten Versuchen im Labormaßstab, thermodynamischer Simulation und Literaturrecherche. Hierbei stehen die thermodynamischen Gleichgewichte im Mittelpunkt. Die jeweils zentralen Parameter werden identifiziert und grob optimiert. Ebenso werden die Verteilungsgleichgewichte der Störelemente Phosphor, Schwefel, Titan und Bor untersucht.

Insgesamt gelingt es, wesentliche Prozess- und Rahmenbedingungen der Gewinnungsroute zu klären und deren technische Eignung im Grundsatz nachzuweisen.