Die jährliche weltweite Eisenproduktion von ca. 1,7 Mrd. Tonnen wird voraussichtlich weiter steigen, da Stahl dessen Herstellung im Schnitt 98 % Eisen benötigt, das Konstruktionsmaterial Nr. 1 ist und bleibt. Die Herausforderungen an die Stahlmetallurgie zur nachhaltigen Massenherstellung von hochwertigen Stahlwerkstoffen sind hoch. Gleichzeitig verstärken politischen Beschlüsse zum Ausstieg aus der Kohleförderung in Deutschland den Druck zur Abkehr von der Steinkohlebasierten Eisenerzverhüttung. Deshalb liegen die Schwerpunkte der Forschung der Arbeitsgruppe Rohstoffe und Eisenmetallurgie auf neuartigen Rohstoffen für die Eisenherstellung, wie selbst- und vorreduzierende Eisenträger, erneuerbare, fossile und organische Abfälle, metallurgische Abgase sowie die Nutzung von Wasserstoff. Ebenfalls im Fokus steht die Entwicklung hocheffizienter Prozesse, welche den Einsatz großer Mengen an Feinerzen, wie Magnetitkonzentrat und Filterstäuben ermöglichen.
In diesem Zusammenhang wird mit drei Industriepartnern die Auswirkungen eines erhöhten Anteils von ultrafeinen Eisenerzen in der Sintermischung (bis zu 80 % an Eisenerzträgern mit Korngrößen < 0,1 mm) erforscht. Dabei wurden Ultrafeinerze ohne Voragglomeration nach intensiver Mischung eingesetzt. Sinterpfannenversuche zeigten, dass abnehmende Produktivität und ansteigender Brennstoffverbrauch durch den Einsatz von bis zu 40 % Feinsterzen durch einen mineralischen Binder kompensiert werden kann. Zudem konnte in anschließenden Reduktionsversuchen kein messbarer Einfluss des Ultrafeinanteils und des Binders auf die Reduzierbarkeit des Sinters feststellt werden. Eine mathematische Modellierung des Sinterprozesses mittels COMSOL Multiphysics® steht im Vordergrund des Folgeprojektes Optimus. In diesem soll unter anderem die Phasenbildung während des Sinterprozesses beschrieben werden.
Im Rahmen des RFCS-Projektes CHARFOCO wurde das Verhalten von Reduktionsmitteln im Hochofen untersucht. Dazu wurden teilweise unverbrannte, in die Wirbelzone eingeblasene, Kohlepartikel (sog. Char) analysiert. Im Fokus standen die Charakterisierung ihrer Eigenschaften und ihr Verhalten sowie die Interaktion von Char mit Koks und Möller außerhalb der Wirbelzone. Im Rahmen des laufenden RFCS-Folgeprojektes SPARERIB werden weiterführende Untersuchungen zur Interaktion von Char mit flüssigen Phasen durchgeführt, die Phänomene in der Wirbelzone und im Schacht an industriellen Hochöfen durch den Einsatz von speziellen Messmethoden und Probenahmen erforscht sowie die konkurrierende Umsetzung von Char, Koksfines und Ruß ermittelt. Im Vordergrund steht hierbei die Untersuchung der Wechselwirkung der kohlenstoffhaltigen Materialien auf Koks und Schlacke.
Die kohlenstoffbasierten Feinpartikel (Char, Koksfines, Ruß), die durch sekundäre Reaktionen außerhalb der Wirbelzone nicht umgesetzt werden, werden mit dem Gichtstaub ausgetragen. Eine Online-Differenzierung dieser Kohlenstoffphasen soll es ermöglichen, den Hochofenprozess effizienter zu steuern. Im Rahmen dieses Projektes sollen die im Gichtstaub enthaltenen Informationen „dekodiert“ werden, um eine verbesserte Prozessführung zu ermöglichen. Dazu gehört u.a. der Einsatz von Laser-induced breakdown spectroscopy (LIBS), um eine quantitative in-situ Analyse zu ermöglichen und ferner die Entwicklung einer Online-Analyse der Gichtstaubzusammensetzung.
Weiterhin gehört der Biomasseeinsatz in der Verhüttung zu den Schlüsselbereichen unserer Forschung und ersetzt fossile durch nachwachsende Kohlenstoffe. Um die wirtschaftliche Effizienz des Biomasseeinsatzes beim Einblasen in den Hochofen zu verbessern, beschäftigen wir uns mit Aspekten wie der Optimierung der Holzkohle-Korngröße und dem Einsatz von weiteren Pyrolyseprodukten. Laboreinblasversuche ergaben beispielsweise, dass eine hohe Umsetzung beim Einblasen durch gröberes Mahlen der Holzkohle im Vergleich zur Kohle erreicht werden kann. Gasförmige Pyrolyseprodukte, die einen hohen Anteil an Reduktionskomponenten wie CO, H2, CH4 besitzen, können als synthetische Reduktionsmittel zum Einblasen in den Hochofen verwendet werden. Eine kombinierte Injektion von festen und gasförmigen Pyrolyseprodukten erhöht somit die Gesamteffizienz des Biomasseeinblasens.
Mit seiner Forschung zum Kohleausstieg begleitet und unterstützt die Arbeitsgruppe des IEHK verstärkt die Transformation der Eisen- und Stahlindustrie zum großtechnischen Einsatz von Wasserstoff als Reduktionsmittel und Energieträger. Dazu wurde gemeinsam mit der Montanuniversität Leoben und dem VDEh eine Studie erstellt, welche umfangreiche Informationen zur Herstellung von Wasserstoff sowie zur Kinetik und Thermodynamik der Wasserstoffdirektreduktion beinhaltet.
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