Einleitung
Aufgrund der dynamischen Bedingungen im LD-Konverter (LD = Linz-Donawitz) liegt die Herausforderung darin, einen stabilen Blaseprozess zu erreichen und am Ende des Konverter-zyklusses die benötigte Stahlqualität und Stahltemperatur zu erhalten. Im Zuge des gegenständlichen Projektes soll der Fortschritt des Blasevorgangs mittels thermodynamischer und kinetischer Modellierung des Konverterbetriebs vorhergesagt werden, um eine verbesserte Prozesskontrolle zu ermöglichen. Der LD-Prozess soll ausführlich modelliert und die Verläufe der Prozessvariablen wie z. B. Temperatur und Schlackenzusammensetzung sollen zeitlich und räumlich simuliert werden. Die auftretenden Reaktionen hängen von Parametern wie Sauerstoffmenge und der Abbrandrate ab. Die Wechselwirkung zwischen den Metalltropfen, der Gasphase und der Schlacke spielen dabei eine bedeutende Rolle. Zusätzlich ist es notwendig, die Nachverbrennungszone näher zu betrachten sowie Maßnahmen zu definieren, um das Überschwappen der Schlacke aus dem Konverter („slopping“) zu vermeiden.
Im Bereich der Sekundärmetallurgie ist die Reinheit von Stählen einer der wichtigsten Qualitätsparameter und eine möglichst hohe Stahlreinheit wird zunehmend bedeutender. Die Reinheit von Stahl wird bestimmt durch Anzahl, Art, Zusammensetzung und Morphologie sogenannter nichtmetallischer Einschlüsse innerhalb der Stahlmatrix. Der Ablauf der sekundärmetallurgischen Prozesse ist maßgeblich verantwortlich für das Erreichen eines bestimmten Reinheitsgrades. Daher ist die Entwicklung eines fundierten Prozessmodells zur Beschreibung und Detektion der Stahlreinheit während der sekundärmetallurgischen Behandlung ebenfalls Teil dieses Projekts.
Ziele und Motivation
- Thermodynamische Beschreibung der Triebkraft im quinären Stoffsystem CaO-SiO2-FeO-MgO-MnO
- Entwicklung eines kinetischen Modells zur Beschreibung der Auflösung von calcium- und magnesiumhaltigen Zuschlägen in Konverterschlacke
- Modellierung des Verhaltens nichtmetallischer Einschlüsse während der sekundärmetallurgischen Behandlung
Vorgehensweise
Literaturstudien, numerische und thermodynamische Modellierung sowie experimentelle Kampagnen sind Teil der geplanten Methodik. Ein Auflösungsmodell für schlackenbildende Zuschläge soll für ein quinäres Stoffsystem entwickelt werden. Thermodynamische Modellrechnungen sollen die Auflösungskinetik beschreiben. Eine umfassende Testprozedur im Labormaßstab, bei der ein Hochtemperatur-Vertikalrohrofen zum Einsatz kommen soll, wird entwickelt. Damit soll die Auflösungskinetik von Calcium und Magnesium unter Gasatmosphären, wie sie im industriellen Umfeld auftreten, untersucht werden. Begleitende mineralogische Untersuchungen der Additive sowie der Schlacke nach den Versuchen runden die experimentellen Arbeiten ab. Die aus der Modellierung und den Experimenten ermittelten Ergebnisse sollen verglichen und validiert werden.
Ein weiterer Teil der Modellierungsarbeit zielt auf die Validierung des aktuell verwendeten Submodells zur Nachverbrennung im Konverter ab. Darauf basierend sollen alternative Modelle für die Nachverbrennung sowie den Wärmeübergang entwickelt werden. Die Validierung wird unterstützt durch Anlagendaten, beispielsweise das aktuell beim Industriepartner verwendete Konverterdesign und Daten der Gasanalyse.
Aus sekundärmetallurgischer Sicht werden in den Modellierungsarbeiten schnell berechnende Reaktormodelle aus der Verfahrenstechnik mit thermodynamischen Datenbanken und kinetischen Berechnungen kombiniert. Die Modelle werden durch Anlagenversuche der Industriepartner validiert. Das entwickelte Modell soll letztendlich auf spezifische Fragestellungen angewandt werden.
Ergebnisse und Anwendung
Die erwarteten Ergebnisse beinhalten die thermodynamische Beschreibung eines quinären Stoffsystems CaO-SiO2-FeO-MgO-MnO. Außerdem soll ein kinetisches Modell der Auflösung von calcium- und magnesiumhaltigen Zuschlägen in Konverterschlacke, basierend auf der Kombination umfassender experimenteller Studien und thermodynamischer Berechnungen, entwickelt werden. Dafür benötigte thermodynamische Größen sind z. B. Gibbs-Energien als Funktion von Temperatur und Konzentration, um die Kinetik des Auflösungsprozesses zu formulieren. Die ermittelten Ergebnisse werden vor einer finalen Übertragung in den industriellen Maßstab validiert.
Zuverlässige Ergebnisse aus dem LD-Konvertermodell (z. B. Rate der Entkohlung) sowie ein verlässliches Nachverbrennungsmodell werden erwartet. Daneben sollen kinetische Parameter, welche mit der Phasengrenzfläche und den Gasphasen im LD-Konverter verknüpft sind, qualitativ verbessert werden. Schließlich soll eine fundierte Literaturstudie hinsichtlich verfügbarer Methoden der Gasanalyse im Konverter sowie bezüglich Methoden zur Detektion eines Überschwappens der Schlacke aus dem Konverter („slopping“) vorliegen.
Ein umfassendes Modell für die sekundärmetallurgische Stahlbehandlung wird zudem erwartet. Damit sollen die Einflüsse der Prozessparameter und der Veredelungsschritte auf die Stahlreinheit quantifiziert werden. Letztendlich sollen Lösungen für spezifische Fragestellungen und für sonstige innovative Aspekte der am Projekt beteiligten Industriepartner vorgeschlagen werden.
