Einleitung
Forschungsarea 2 kombiniert die früheren Areas 2 (Hochtemperaturmetallurgie) und 3 (Prozess- und Energieoptimierung) der 1. Förderperiode mit einigen innovativen Aspekten und behandelt Anwendungen und Prozesse der Eisen- und Nichteisenmetallurgie. Im Bereich der Eisen- und Stahlmetallurgie werden Primär- und Sekundärmetallurgie betrachtet, beginnend beim LD-Prozess zur Rohstahlproduktion über das Stranggießen und Heißwalzen bis hin zur Stahlveredelung, d.h. die Entfernung nichtmetallischer Einschlüsse mittels Elektro-Schlacke-Umschmelzen (ESU). Im Bereich der Nichteisenmetallurgie wird der Fokus auf alternative Reduktionsmittel und Prozesseffizienz bei der Kupferraffination gelegt.
Ziele & Motivation
- Weiterentwicklung der Kupferraffinationstechnologie bezüglich der Verwendung alternativer Reduktionsmittel und hinsichtlich Materialausbringens
- Thermodynamische und kinetische Modellierung des LD-Prozesses und Link zur Sekundärmetallurgie (Stahlreinheit)
- Thermomechanische Modellierung der Rissbildung in Stahllegierungen beim Stranggießen und Heißwalzen
- Erstellung von Richtlinien zur Auslegung der Feuerfestzustellung in metallurgischen Aggregaten
- Entwicklung neuer und effizient arbeitender Gießpulver für den Stranggießprozess
- Einfluss der Schlackeneigenschaften auf den Bedarf an Umschmelzenergie beim ESU-Prozess
Kontaktperson
Unsere Ziele
Die Forschungsarbeiten werden zu einem der Zentrumsziele beitragen, nämlich zu einem Kenntniszuwachs bei der metallurgischen und umwelttechnischen Prozessentwicklung hinsichtlich dem Stoffverhalten in Hochtemperaturaggregaten und bezüglich der Produktqualität. Der Kupferraffinationsprozess unseres Unternehmenspartners soll weiterentwickelt werden, wobei Energieträger und Reduktionsmittel auf Kohlenstoffbasis teilweise durch Erdgas oder Wasserstoff ersetzt werden sollen. Dafür muss der bestehende Schachtofenprozess betrachtet werden.
Ein tieferes Verständnis des Einflusses der Prozessbedingungen bei der Erzeugung und Veredelung von Stahl auf die Endqualität soll durch eine Untersuchung der Interaktion von Thermodynamik und Kinetik beim LD-Prozess generiert werden, um einerseits die Stahlreinheit zu erhöhen, und andererseits, um den Aufwand für die nachfolgende Veredelung zu reduzieren. Ein Modell wird weiterentwickelt, um gewisse Phänomene (z. B. Phaseninteraktionen im Konverter) vorherzusagen und zu beschreiben und um den Einfluss der Prozessparameter auf das Auflösungsverhalten calcium- und magnesiumhaltiger Schlackenadditive zu quantifizieren. Zusätzlich wird die Ausbildung nichtmetallischer Einschlüsse während der sekundärmetallurgischen Stahlbehandlung im Pfannenofen betrachtet, indem ein Gleichgewichtszonenmodell unter Verwendung von FactSage®-Datenbanken aufgestellt wird.
Einige Schritte weiter in der Stahlproduktionskette werden Oberflächendefekte, die während des Stranggießens entstehen, sowie das Duktilitätsverhalten unterschiedlicher Stahlgüten untersucht. Im Zuge dessen wird der IMC-B Test (In situ Material Characterization-Bending) weiterentwickelt. Dies soll ein Benchmark-Experiment zur Quantifizierung der thermischen Vorgeschichte des Stahls hinsichtlich dessen Neigung zur Rissbildung darstellen und der Test soll dazu dienen, ein Rissvorhersagemodell zu verfeinern.
Das Elektro-Schlacke-Umschmelzen (ESU) ist ein sekundärmetallurgischer Prozess zur Erreichung höchster Stahlqualitäten hinsichtlich Zähigkeit und Korrosionsbeständigkeit. Die ESU-Schlacke muss eine geeignete Zusammensetzung für eine effiziente Entfernung nichtmetallischer Einschlüsse aufweisen. Des Weiteren beeinflusst die Schlacke den Energiebedarf beim Umschmelzvorgang. In diesem Zusammenhang sollen in Area 2 Korrelationen zwischen Viskosität und Erstarrungsverhalten aufgestellt werden sowie deren Einfluss auf den Energiebedarf quantifiziert werden.
Neben den Prozessen selbst stehen Untersuchungen feuerfester Werkstoffe im Fokus der Area 2. Dabei geht es um die Definition von Dehngrenzen in feuerfesten Werkstoffen und Zustellungen. Zu diesem Zweck sind Finite-Elemente-Simulationen geplant, um thermisch beanspruchte Feuerfestzustellungen zu analysieren und um mögliche Schäden aufgrund thermomechanischer Spannungen vorherzusagen.
Die Wand des Tauchrohrs in einer Stranggießanlage besteht im Bereich zwischen Stahl und Gießschlacke aus einem kohlenstoffgebundenen Feuerfestmaterial auf Zirkonia-Basis, dem sogenannten Schlackenband. In manchen Fällen dringen Komponenten des Gießpulvers in das Schlackenband ein, wodurch eine Oxidation des Kohlenstoffs und somit eine verstärkte Feuerfestkorrosion auftreten. Daher sollen alternative Gießpulver mit bestimmter Zusammensetzung im Hinblick auf einen Einsatz beim Stranggießen entwickelt werden.