IEHK-Aktuell

Hi, ich bin Marco. Ich bin seit Juni wissenschaftlicher Mitarbeiter am IEHK mit Ziel der Promotion. Das Institut konnte ich während meiner Zeit als HiWi gut kennenlernen. Die Kombination aus netten Arbeitskollegen und interessanten Forschungsthemen haben mich dazu bewegt, hier auch promovieren zu wollen. Zusammen mit dem Gießerei-Institut optimiere ich die Porosität von Al-Gusslegierungen, um einen erhöhten Widerstand gegen Ermüdung zu erzielen. Dadurch können einzelne Bauteile bei gleichem Ermüdungswiderstand deutlich leichter konstruiert werden. Vor allem die Automobilindustrie kann so von Leichtbauweisen und Effizienzsteigerung profitieren.
Mit einem brandneuen Prüflabor darf ich dieses spannende Thema am IEHK bearbeiten. In den nächsten Tagen werde ich Euch die Prüfmaschinen, wie z.B. einen hochfrequenten Ultraschall-Pulser mit bis zu 20 kHz Prüfgeschwindigkeit vorstellen. Seid gespannt!

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.

Bei der Stahlherstellung entstehen u.a. als Beiprodukt und Sekundärrohstoff Schlacken. Diesen unterliegen unter anderem die wichtige Aufgabe des Abbindens von unerwünschten Elementen, welche den Reinheitsgrad von Stahl herabsetzen würden. Bei der stetig wachsenden Forderung nach größerer Stahlreinheit steigt auch der politische und gesellschaftliche Druck nach Klimaschonung und Umweltschutz, so dass ein Umdenken von der Deponierung zum Recycling der Schlacken einsetzt.

Dabei fielen in Deutschland bei der Erzeugung von Eisen und Stahl im Jahr 2018 etwa 13,2 Mio. t Schlacke an, davon fast 3,2 Mio. t bei der Stahlerzeugung im LD-Konverter und knapp 1,6 Mio. t im E-Ofen. Die Schlacke findet dann als Baustoff z.B. im Straßenbau oder auch als Düngemittel Wiederverwendung. Da es gesetzlich festgelegte Grenzwerte für potenziell toxisch wirkende in LD-Schlacken enthaltene, oxidische Verbindungen, wie beispielsweise Chromoxide gibt, muss ein Teil der Schlacken deponiert werden.

Eine gezielte Aufbereitung der Schlacken ermöglicht einerseits das Einsetzen der Schlacken in bekannten Anwendungsfeldern und soll andererseits neue Applikationsfelder zur Ressourcenschonung aufzeigen. Ein Einsatz im Straßenbau oder als Düngemittel würde die Gefahr der Auswaschung und damit verbunden die Verunreinigung des Grundwassers bergen. Die Grenzwerte in Regularien sollen weiter gesenkt werden, womit der Forschungsbedarf nach Schlackenkonditionierung besteht, sodass u.a. der Anteil der Deponiemengen nicht weiter erhöht, sondern abgebaut werden kann.

Die Forschungsgruppe für Schlackenmetallurgie am IEHK untersucht daher Möglichkeiten der Schlackenkonditionierung. Eine Grundlage hierfür bietet die Untersuchung der Schlackenmorphologie, d.h. die sich gebildeten Phasen in erstarrter LD-Schlacke werden bestimmt, um z.B. Oxide der sogenannten seltenen Erden Elemente zu lokalisieren und ihre Oxidationszustände zu bestimmen. Das gewonnene Wissen aus diesen Untersuchungen ermöglicht, die in den Schlackenoxiden gebundenen, wertvollen Elemente zurückzugewinnen und die potenziell toxischen Oxide stabil abzubinden.

Ebenso wird die Zugabe von Kreislaufstoffen aus der Industrie untersucht, um neue Applikationsfelder durch Schlackenrecycling zu erschließen. Diese wissenschaftlichen Untersuchungen und Experimente führen zu einer Schonung der Primärressourcen und dem Abbau der ungenutzten Potentiale in Deponien.

Ein weiteres Forschungsgebiet am IEHK umfasst die Auflösungskinetik und die Analyse der Auflösungsmechanismen von kalkhaltigen Additiven im Konverterprozess. Kalk dient neben der Einstellung einer aktiven Konverterschlacke, insbesondere dem Abbinden des instabilen Phosphoroxids, welches sich während des Frischeprozesses bildet. Phosphoroxid würde im Prozessverlauf zurück in das Stahlbad reduziert werden und somit die Stahlqualität deutlich mindern. Die Bestimmung der Auflösungsgeschwindigkeit sowie der einflussnehmenden Faktoren ermöglicht eine weitere Verbesserung hinsichtlich des Phosphors sowie einem gezielten Einsatz der Additive zur Kosten‑, Zeit- und Ressourceneinsparung.

Über den Stranggießprozess werden über 95 % der Weltstahlerzeugnisse vergossen. Die Forschung der Arbeitsgruppe Gießen und Erstarren untersucht daher die Prozessbedingungen sowie die daraus resultierenden Gussgefüge, welche die Werkstoffeigenschaften und Weiterverarbeitung maßgeblich beeinflussen.

Die Vorhersage des Erstarrungsgefüges mit Hilfe von Berechnungen und Simulationsprogrammen ist zur Steuerung der Qualität des Stahlgusshalbzeugs von großer Bedeutung. Anlagenkomponenten, die unterschiedlichen Möglichkeiten der Prozessführung und die chemische Zusammensetzung des Halbzeugs verlangen eine optimierte Abstimmung dieser Faktoren, um das bestmögliche Gefüge für den jeweiligen Verwendungszweck einstellen zu können. Hierfür ist es notwendig die kontrollierbaren Einflussgrößen und ihre Auswirkungen genau beschreiben zu können. Das übergeordnete Ziel ist dabei die Verknüpfung verfügbarer Daten und Programme, um eine umfassende Berechnung der Gefügeentwicklung in der Stranggießanlage zu ermöglichen. Eine Auswertung der Hochtemperatureigenschaften unterschiedlicher Stahlzusammensetzungen bildet in dem Zuge die Basis für eine verbesserte Abstimmung der Gießbedingungen auf die Werkstoffeigenschaften.

Eine Möglichkeit zur Beeinflussung des Gussgefüges bei Blöcken ist die Applizierungvon mechanischer Vibration zur Anregung der dynamischen Keimbildung und Keimmultiplikation. Diese Methode wurde erfolgreich an Blöcken unterschiedlicher Größe getestet und die Gefügeentwicklung mittels einer Simulation nachvollzogen.

Es konnte gezeigt werden, dass die mechanische Beanspruchung des Blockes durch Vibration bei der Erstarrung den streng gerichteten Randbereich stark verkürzt und die CET vergrößert. Durch eine eigens entwickelte Simulation lässt sich die Verschiebung des Beginns der CET abbilden.

Ein weiterer Schritt zum verbesserten Verständnis der Erstarrung in Abhängigkeit von den jeweiligen Bedingungen ist ein exaktes Wissen über die Wärmeströme in der Kokille. Daher wird derzeit mittels genauester Messungen der Einlauf- und Rücklauftemperaturen des Kühlwassers einer Brammenkokille ermittelt. Ziel ist eine möglichst exakte Bestimmung der integralen Wärmestromdichte und der wechselseitigen Beeinflussung von Wärmeströmen, Gießverlauf, Schrumpfung, Tapern, Gießpulver und der aus der Schmelzentemperatur resultierenden Keimdichte. Mit Hilfe von optischen Glasfasersensoren (Faser Bragg Gitter) werden die Temperaturprofile innerhalb der Kupferplatten einer Stranggießkokille erfasst und visualisiert. Diese können zum einen als Online-Überwachung und zum anderen zur Einstellung und Steuerung der Parameter (z.B. Taper) genutzt werden.

Im SFB 761 wurden methodisch neue Vorgehensweisen für das Design von Strukturwerkstoffen am Beispiel von hochmanganhaltigen Stählen erarbeitet. Teilbereich B untersucht dabei die Prozessentwicklung dieser Stähle mit variierenden Aluminium-, Mangan- und Kohlenstoffgehalten. Dieses Legierungssystem stellt aus metallurgischer Sicht einige Herausforderungen dar, insbesondere beim Vergießen. Die Hochtemperatureigenschaften dieser Werkstoffe werden neben Heizzugversuchen auch mithilfe des Hochtemperaturbiegesimulators untersucht, sodass Spannungen in den Gussblock mit noch flüssigem Kern induziert werden können. Weitere notwendige Kennwerte für die Simulation der mechanischen Belastungen wie die Fließspannung werden aus Flachstauchversuchen ermittelt.

Im Bereich der Forschung zur Rissbildung beim Stranggießen von Manganstählen ist die Forschungsgruppe im EU-Projekt PMAPIA „Precipitation of Micro Alloy Particles in B and Mn alloyed steel grades and their interaction between elements, segregation and defects during continuous casting“ aktiv. Grundlage hierfür bildet das Vorgängerprojekt PMAP, an dem sich der Lehrstuhl bereits mit Forschungen zu den Hochtemperatureigenschaften von hoch Mangan Stählen eingebracht hat.

Zusammen mit internationalen Partnern wird zur Bildung von Ausscheidungen unter Berücksichtigung der Wechselwirkungen verschiedener Legierungselemente geforscht. Ziel des Projekts ist die Abstimmung der Stahlsorten auf die Gießparameter und letztendlich die Entwicklung von Richtlinien für den Strangguss rissanfälliger Manganstähle. Dazu werden im Labor Stahlsorten mit variierender Zusammensetzung hinsichtlich ihrer Mikrostruktur, Ausscheidungskinetik und Hochtemperatureigenschaften untersucht. Begleitend finden sowohl Industrieversuche als auch Modellierungen und Simulationen statt.

Für die genauere Untersuchung von Ausscheidungen wird am IEHK unter anderem ein speziell entwickelter Langsamerstarrungsofen (LEO) genutzt. Hier kann die Geschwindigkeit der Erstarrung eingestellt werden, um ein Gefüge mit sehr groben Dendriten und entsprechend großen Ausscheidungen zu erzeugen. So wird eine genaue Untersuchung gerichteter Körner und insbesondere der Phasengrenzen ermöglicht.