Sauerstoff-Impulstechnologie Hochöfen der Zukunft: Mit SIP-Verfahren bis zu 100 kg CO2 pro Tonne Roheisen einsparen

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Thyssenkrupp AT.Pro tec ist bekannt für die Entwicklung des Sequenz-Impuls-Prozesses (SIP). Bei der Anwendung an Kupolöfen konnte er die Wirtschaftlichkeit deutlich steigern.

Hochöfen haben heute dank der Sequenz-Impuls-Prozess mit induzierten Stoßwellen die nächste Evolutionsstufe erreicht. Hinter dem SIP-Verfahren stehen thyssenkrupp AT.Pro tec und Geschäftsführer Dr. Rainer Klock. Das Team hat die Technologie in mehr als zehn Jahren so weiterentwickelt, dass ihr Einsatz am Hochofen möglich wurde. Der zugrundeliegende Gedanke des neuen Verfahrens ist es, die tiefer im Ofeninneren gelegenen Bereiche zu aktivieren. Bei der bisherigen Verfahrenstechnik blockierten nicht vollständig reagierte Feinpartikel das Koksbett, wodurch die Gasströmung und die Hitze nicht tief genug in den Ofen eindringen konnten. Es entstand ein Kegel aus Koks, der sogenannte „tote Mann“.

Die Lösung: Starke, diskontinuierliche Impulse ermöglichen die notwendige Tiefenwirkung des technischen Sauerstoffs. Das kurzzeitige, lokale Überangebot an Sauerstoff gestattet eine vermehrte chemische Umsetzung der Feinpartikel – auch tief im Koksbett. Die mit den Impulsen einhergehenden Stoßwellen brechen Verkrustungen auf und vermischen durch starke Turbulenzen den Inhalt. So kommt es zu einer gleichmäßigeren Durchgasung und einem besseren Abfluss des flüssigen Metalls und der Schlacke.

Hochöfen: Phase 1 von 2007 bis 2011: „Asipgo“

Im kleineren Maßstab – an Kupolöfen – funktionierte die Technologie schon seit Jahren und ermöglichte hier eine deutliche Steigerung der Wirtschaftlichkeit. Der Einsatz an den erheblich größeren Hochöfen jedoch war vollkommen unerforscht. Als sich AT.Pro tec mit diesem Problem an die RWTH Aachen und das dortige Institut für Eisenhüttenkunde (IEHK) wandte, hatte Klock eben seine Diplomarbeit fertiggestellt. Für das neue Forschungsprojekt Asipgo, das thyssenkrupp als Industriepartner unterstützte, suchte die RWTH gerade einen wissenschaftlichen Mitarbeiter. „Das war für mich die perfekte Gelegenheit“, betont Klock. „Das Projekt sollte über drei Jahre hinweg zwei Ziele verfolgen: den Einsatz des SIP-Verfahrens an Kupolöfen durch Automatisierung zu verbessern und die Anwendung des SIP-Verfahrens an Hochöfen zu ermöglichen.“

Klock fokussierte sich mit seiner Doktorarbeit auf den Einsatz an Hochöfen. Die Forschergruppe, bestehend aus Mitarbeitern von thyssenkrupp AT.Pro tec, thyssenkrupp Steel Europe und der RWTH Aachen, wollte dafür die Prozesse in der Wirbelzone eines Hochofens verstehen - aber auch, ob und wie diese durch Sauerstoffimpulse beeinflusst werden. Auf Basis der Erkenntnisse am IEHK wurde schließlich eine SIP-Versuchsanlage für Hochöfen konstruiert. Im Vergleich zur SIP-Anlage für Kupolöfen arbeitete man nun mit deutlich größeren Nennweiten und Drücken. Die Anlage musste daher angepasst und mit geeigneten Komponenten ausgestattet werden. Ein Hauptaugenmerk lag hierbei auf den sogenannten Pulsventilen. Diese mussten in der Lage sein, möglichst starke Stoßwellen zu erzeugen. Nach einer langen Untersuchungsreihe mit unterschiedlichen Ventiltypen konnte sich das Gleitschieberventil von Schubert & Salzer durchsetzen.

Das Prinzip dieses Ventils ist faszinierend einfach: zwei aufeinander gleitende und gegeneinander dichtende Schlitzscheiben. Eine senkrecht zur Strömungsrichtung fixierte Dichtscheibe, auf der eine weitere, bewegliche Scheibe mit der gleichen Schlitzanordnung verschoben wird, wodurch sich der Durchflussquerschnitt verändert. Die anliegende Druckdifferenz presst die bewegliche Scheibe auf die feststehende Scheibe und trägt dadurch zur Dichtigkeit bei. Die kurzen Öffnungszeiten, die sich mit diesem Prinzip erreichen ließen, und die Druckbeständigkeit bei großen Nennweiten waren letztendlich ausschlaggebend.

Phase 2 von 2011 bis 2020: hin zum großindustriellen Einsatz

Die ersten Tests mit der SIP-Versuchsanlage am Hochofen Schwelgern 1 in Duisburg lieferten so vielversprechende Ergebnisse, dass sich thyssenkrupp Steel Europe entschloss, das Verfahren über das Forschungsprojekt hinaus weiterzuentwickeln. Mit seinen 13,6 m Gestelldurchmesser, einer Gesamthöhe von circa 110 m und einem inneren Volumen von 4.416 m3 hat der Hochofen Schwelgern 1 eine potenzielle Leistung von 10.000 t pro Tag. Als Betriebsingenieur sollte Klock hier die Weiterentwicklung des SIP-Verfahrens leiten. Einerseits musste nun auf Basis der SIP-Versuchsanlage ein industriell einsatzfähiger Prototyp entstehen. Andererseits war dieser Prototyp weiter zu optimieren. „Also begannen wir, uns den Stoßwellen zu widmen, die mit jedem Impuls einhergingen“, erinnert sich Klock. „Mit stärkeren Stoßwellen wollten wir die Wirbelzone vergrößern und Verkrustungen im Koksbett aufbrechen, dadurch die Permeabilität erhöhen und mit größeren Reaktionsoberflächen die Effizienz des Hochofenprozesses steigern.“

Hochöfen: Schubert & Salzer stößt hinzu

„Das Projektteam der AT.Pro tec setzte sich damals mit uns in Verbindung“, erzählt Marcel Mokosch, Technischer Vertrieb bei Schubert & Salzer Control Systems. „Um Impulse mit stärkeren Stoßwellen zu erzeugen, mussten extrem kurze Öffnungszeiten erreicht werden. Grundsätzlich waren Gleitschieberventile für diese Anwendung die perfekte Wahl. Der typische Hub zwischen ,offen‘ und ,geschlossen‘ beträgt nur circa 8 mm. Dieser kurze Hub geht mit sehr geringen bewegten Massen einher. Deshalb werden nur geringe Antriebskräfte benötigt, wodurch das Ventil letztlich sogar kompakter ist als die meisten anderen Ventiltypen.“

Mit diesen Entwicklungen lief die erste SIP-Box, der Prototyp der neuen Anlage, dann fünf Jahre im Dauerbetrieb und wurde permanent optimiert. Schritt für Schritt reifte das eingesetzte Gleitschieberventil mit der Anlage und dem Prozess. In enger Zusammenarbeit wurden verschiedene konstruktive Änderungen vorgenommen und in der Praxis erprobt, um das Ventil an die Anforderungen der Anwendung anzupassen.

Optimierung der SIP-Boxen: Erfolgreicher Einsatz an Hochöfen

„Schließlich hatten wir es geschafft, das Ventil auf Öffnungsgeschwindigkeiten von 2 ms hin zu optimieren. Dadurch war es möglich, Impulse, die tief in das Koksbett reichen, mit starken Stoßwellen freizusetzen“, berichtet Mokosch. „Die extremen Schaltgeschwindigkeiten bei gleichzeitig hohen Drücken und hoher Schalthäufigkeit brachten das Ventil aber an seine Belastungsgrenzen. Diese Kombination von Anforderungen war damals wirklich eine Herausforderung. Wir sahen darin aber auch eine große Chance für die Gleitschiebertechnologie, sich zu beweisen. Um für den Betreiber bei extremen Betriebsbedingungen akzeptable Ventilstandzeiten zu erreichen, mussten die mechanischen Grenzen des Ventils durch konstruktive Änderungen erweitert werden. Ein Jahr Standzeit, also mehrere Millionen Schaltungen, war das erklärte Ziel.“

2015 war es schließlich soweit: thyssenkrupp Steel Europe und thyssenkrupp AT.Pro tec begannen mit der Entwicklung, Errichtung und dem Betrieb einer vollständigen Sauerstoffimpulsanlage am Hochofen 1 in Duisburg-Schwelgern. In den kommenden Jahren wurde die Optimierung der SIP-Boxen finalisiert. Im laufenden Betrieb wurden an den 40 Blasformen des Hochofens SIP-Vorrichtungen installiert.

Hochöfen: Erheblich geringerer CO2-Ausstoß

Im Herbst 2020 wurde die SIP-Anlage schließlich fertiggestellt. 40 SIP-Boxen warteten auf ihren Einsatz. Über mehrere Wochen wurden die Boxen Schritt für Schritt aktiviert. Die Auswirkungen auf den Prozess wurden dabei mit Spannung beobachtet. Inzwischen hat sich das SIP-Verfahren am Hochofen Schwelgern 1 in weniger als zwei Betriebsjahren amortisiert und spart jährlich mehrere Millionen Euro an Kosten. Der Gesamtverbrauch an Reduktionsmitteln (Koks und Einblaskohle) konnte durch die Effizienzsteigerung signifikant gesenkt werden. Dies spiegeln auch die CO2-Einsparungen zwischen 50 und 100 kg pro produzierter Tonne Roheisen wider. Die jährlichen CO2-Einsparungen belaufen sich auf weit über 100.000 t.

SIP-Technologie: Globaler Erfolg durch Kooperation mit Primetals

Für thyssenkrupp AT.Pro tec ist das Projekt ein großer Erfolg: „Nach einjährigem Dauerbetrieb hat sich gezeigt, dass die Gleitschieberventile den extremen Einsatzbedingungen hervorragend gewachsen sind. Die langjährige gemeinsame Entwicklungsarbeit mit Schubert & Salzer hat sich gelohnt. Einen so ausdauernden, zuverlässigen Entwicklungspartner zu finden, ist keine Selbstverständlichkeit“, hebt Klock hervor. „Eines unserer Zukunftsprojekte ist es nun, mit einem Level-2-Automatisierungssystems die SIP-Technologie und den Hochofenprozess direkt zu verlinken, um weiterführende, automatisierte Prozessoptimierungen zu ermöglichen.

Zunächst aber will Klock der SIP-Technologie zum weltweiten Erfolg verhelfen. Im August 2021 wurde eine weltweite Marketing- und Vertriebsvereinbarung exklusiv mit Primetals Technologies unterzeichnet. „Unser zuverlässiger Partner Primetals soll diese Technik weltweit vermarkten und auch anderen Stahlherstellern zugänglich machen.“