Teil 1

Fa c h b e r i c h t e
Der Induktionsofen als Schmelz­
aggregat für die Stahlerzeugung
Teil 1 – Merkmale von Induktionsöfen in der Stahlerzeugung
The induction furnace as a melting facility in steel production
Part 1 – Features of induction furnaces used in steel production
Mohamed Chaabet, Erwin Dötsch
Die Weltstahlerzeugung erlebt seit einiger Zeit ein rasantes Wachstum: In den
letzten 10 Jahren stieg die Jahresproduktion von 851 Mt/a in 2001 auf 1417 Mt/a
in 2010, was vor allem durch das Wachstum in China begründet ist. Der Anteil
der Elektrostahlerzeugung mit dem Lichtbogenofen als klassischem Schmelzaggregat liegt weltweit (ohne China als Sonderfall mit 90 % Oxygenstahlanteil)
bei etwa 45 %, mit steigender Tendenz. Nach Entwicklung der Induktionstechnologie mit Umrichterleistungen von über 40 MW für Tiegelöfen mit über 65 t
Fassungsvermögen bietet sich der Induktionsofen für kleinere Ministahlwerke als
alternatives Elektro-Schmelzaggregat an. Neben dem Wegfall der Elektrodenkosten und den geringen Anforderungen an das elektrische Netz liegen dessen
Vorteile hauptsächlich im hohen Ausbringen der Einsatzstoffe und in der niedrigen Umwelt- und Arbeitsplatzbelastung. Diese Merkmale des Induktionsofens
werden in Teil 1 des vorliegenden Beitrags in deren besonderer Bedeutung für
die Stahlerzeugung beschrieben. Im zweiten Teil des Fachbeitrags werden dann
Beispiele für den Einsatz des Induktionsofens im Stahlwerk vorgestellt.
Global steel output has now been growing extremely rapidly for a prolonged
time; in the past ten years alone, annual production has risen from 851 million t/a (in 2001) to 1417 million t/a (2010), as a result, primarily, of growth in
China. Electric steel production using the electric arc furnace as the classical
melting facility is around 45 % world-wide, with a rising trend (but excluding the
special case of China, where oxygen-route steel holds a 90 % share of production). Following the development of induction technology and inverter outputs
of over 40 MW for crucible furnaces with capacities of above 65 t, the induction
furnace is now available as an alternative electrical melting installation for use
in smaller mini steel mills. The benefits of this technology can be found in high
feed-material efficiencies and low environmental and workplace burdens, in addition to the absence of electrode costs and the only modest demands made on
the power-supply grid. These features of the induction furnace and their special
significance for steel production are examined in Part 1 of this article. The second part of the article then focuses on examples of the use of induction furnaces
in the steelmaking plant.
Einleitung
Stahl ist mit Abstand der wichtigste industrielle Werkstoff für die Güterproduktion und den Anlagenbau, wie aus der
Mengendarstellung der weltweit produzierten Hauptwerkstoffe in Bild 1 hervorgeht [1]. In Bild 2 zeigt sich die etwa
seit 1950 laufende rasante Entwicklung
der Weltstahlerzeugung, die nach der in
2006 erfolgten Schätzung von Ameling
in 2010 etwa 1.500 Mt/a erreichen sollte. Aus der in Bild 3 dargestellten jährlichen Rohstahlerzeugung der verschiedenen Regionen während der letzten zehn
Jahre wird deutlich, dass trotz des Einbruchs in 2008/2009 diese Jahrestonnage mit 1.417 Mt/a annähernd erreicht
wurde. Wichtigster Grund dafür ist das
außergewöhnliche Wachstum in China,
wo sich die Jahrestonnage von 152 Mt in
2001 auf 627 Mt in 2010 mehr als vervierfacht hat [2].
Stahl – weltweit wichtigster
Werkstoff mit hoher Recycling­
quote
Die Stahlerzeugungsverfahren sind von
einer hohen Recyclingquote des Stahlschrotts geprägt, die im industriellen Bereich und bei Kraftfahrzeugen zwischen
85 und 90 %, im privaten Bereich bei
50 % liegt [3]. Somit wurde Schrott als
Rohstoff für die Stahlerzeugung mit einem Anteil von 40 bis 45 % zum fast
gleichberechtigten Partner von Eisenerz.
In Bild 4 sind die Verfahrenswege der
Stahlherstellung schematisch dargestellt,
darin links und rechts außen die beiden
Hauptverfahren, nach denen weit über
90 % des Stahls hergestellt werden,
nämlich die Linien “Hochofen/Sauerstoff-Blaskonverter“ mit größtenteils Erz
als Rohstoff und “Lichtbogenofen“ mit
Schrott als wichtigster Rohstoffbasis [4].
Den Verfahren entsprechend unterscheidet man zwischen Oxygen- und Elektrostahl.
elektrowärme international · Heft 4/2011 · Dezember
363
Fa c h b e r i c h t e
Bild 1: Welterzeugung der wichtigsten Werkstoffe 1970/2006 in
Mt/a [1]
Bild 2: Entwicklung der Weltstahlerzeugung nach Ameling [1]
Fig. 2: The trend in global steel production, after Ameling [1]
Fig. 1: Global production of the most important materials
1970/2006, in million t/a [1]
Bild 3: Rohstahlerzeugung in den Jahren 2005 bis 2010 [2]
Fig. 3: Production of crude steel from 2005 to 2010 [2]
Bild 4: Verfahrenswege der Stahlerzeugung [4]
Fig. 4: Processing routes in steel production [4]
364
elektrowärme international · Heft 4/2011 · Dezember
Der Elektrostahl-Prozess ist gekennzeichnet durch seine Flexibilität und
auch bei kleineren Stahlwerkseinheiten
(so genannte Ministahlwerke mit 300
bis 1.200 kt/a) gegebene Wirtschaftlichkeit sowie durch die geringere Umweltbelastung, indem im Vergleich zum
Oxygenverfahren weniger Staub, CO2,
NOx und Schlacke anfallen [5]. Daraus
folgt weltweit, mit Ausnahme von China und Japan, ein relatives und absolutes Wachstum der Elektrostahlerzeugung. Die Bilder 5 und 6 zeigen,
dass in den Ländern des Nahen Ostens, in der Türkei und in Indien dieser
Trend besonders zum Tragen kommt.
In China dagegen beruht das Wachstum hauptsächlich auf Oxygen-Stahlwerken in großen Einheiten, so dass
der vergleichsweise gemäßigte Anstieg
der Elektrostahlerzeugung von 24 Mt
in 2001 auf 64 Mt in 2010 zu dem relativ niedrigen Anteil des Elektrostahls
von unter 10 % führt. In der übrigen
Welt (ohne China) stieg die Elektrostahlerzeugung von 323 Mt/a in 2001
auf 350 Mt/a in 2010 mit einem Anteil
von 44 bis 46 % an der Gesamtstahlerzeugung [2].
Wie in Bild 4 dargestellt, besteht ein
Teil des Schmelzgutes für die Elektrostahlerzeugung aus so genanntem
Eisenschwamm, der im Direktreduktionsprozess hergestellt wird, wobei
aufbereitete Eisenerzpellets im festen Zustand durch ein Heiz- und Reduktionsgas aus Kohlenmonoxid und
Wasserstoff oder auch durch Kohle vom Sauerstoff befreit werden [6].
Das so erzeugte poröse Produkt „Ei-
Fa c h b e r i c h t e
senschwamm“ wird im Englischen mit
DRI (Direct Reduced Iron) bezeichnet.
Es fällt nach der Reduktion mit einer
Temperatur von 600 bis 900 °C an und
wird häufig im heißen Zustand zu HBI
(Hot Briquetted Iron) verpresst. Das Direktreduktionsverfahren hat in den Regionen wirtschaftliche Bedeutung, wo
statt verkokbarer Kohle Erdgas als Ressource für das Reduktionsgas oder vergasbare Kohle zur Verfügung stehen.
Die in Bild 7 aufgeführten DRI-Tonnagen zeigen, dass besonders im Nahen
Osten und in Asien, hier hauptsächlich
in Indien, diese für die Direktreduktion günstigen Bedingungen vorliegen.
Demnach werden in Indien mit der
DRI-Produktion von 30 Mt/a bei einem
nutzbaren Fe-Anteil des DRI von 85 %
die 41 Mt/a Elektrostahl zu 62 % aus
Eisenschwamm hergestellt. Weltweit
beträgt dieser DRI-Anteil 15 % mit
wachsender Tendenz.
Für die weiter wachsende Weltstahlerzeugung ist zu erwarten, dass die Recyclingquote des Stahlschrotts mindestens auf dem derzeitigen hohen Niveau bleibt und die Bedeutung des DRI
als Schmelzgut ansteigt. Daraus ergibt
sich ein weiteres Wachstum der Elektrostahlerzeugung. Die technisch und
wirtschaftlich interessanteste Komponente ist dabei das Schmelzaggregat
“Elektroofen“. Hier zeichnet sich ab,
dass neben dem etablierten Lichtbogenofen auch der Induktionsofen zum
Einsatz kommen wird, wie im Folgenden zunächst anhand seiner charakteristischen Merkmale, dann in Teil 2 des
Beitrags durch Anlagenbeispiele gezeigt wird.
Bild 5: Elektrostahlerzeugung von 2001 bis 2010 [2]
Fig. 5: Electric furnace steel production from 2001 to 2010 [2]
Bild 6: Anteil der Elektrostahl- an der Gesamt-Rohstahlerzeugung in den Jahren 2001 und
2010 [2]
Fig. 6: Electric furnace steel production as a percentage of total crude steel production,
2001 and 2010 [2]
Charakteristische Merkmale
des Induktionsofens
Für den industriellen Einsatz gibt es
zwei Haupttypen von Induktionsöfen,
nämlich den Induktions-Rinnenofen
und den ‑Tiegelofen. Als Schmelzaggregat für Eisenwerkstoffe hat der Rinnenofen inzwischen nur noch untergeordnete Bedeutung, so dass die folgenden Ausführungen sich auf den Tiegelofen beziehen. In Bild 8 ist eine solche
Induktionsschmelzanlage schematisch
dargestellt. Ihre Hauptkomponenten
sind die Stromversorgungseinheit (mit
Transformator, Frequenzumrichter und
Kondensatorbatterie), der Tiegelofen
selbst, das Chargiersystem, die Kühl-
Bild 7: DRI-Produktion in Mt/a in 2001, 2005 und 2010 [2]
Fig. 7: DRI production in million t/a in 2001, 2005 and 2010 [2]
elektrowärme international · Heft 4/2011 · Dezember
365
Fa c h b e r i c h t e
Bild 8: Aufbau
einer Induktionsschmelzanlage,
Bauart ABP
Fig. 8: Structure of
an induction melting installation,
ABP type
chend Bild 8 im Wesentlichen aus dem
Feuerfesttiegel, der ihn umgebenden
Spule und aus einem tragenden Stahlgerüst besteht. Die von Wechselstrom
durchflossene Spule erzeugt ein elektromagnetisches Feld, das im metallischen
Schmelzgut Wirbelströme induziert, die
nach dem Joule’schen Gesetz zur Erwärmung und schließlich zum Schmelzen
der Einsatzstoffe führen.
Somit wird die Wärme ohne Übertemperatur direkt im Schmelzgut erzeugt, so
dass die in brennstoff- oder lichtbogenbeheizten Öfen bei der Energieübertragung anfallenden Emissionen im Induktionsofen nicht entstehen. Der Staubanfall liegt in Abhängigkeit von der Qualität der Einsatzstoffe bei 0,5 bis 1 kg/t
Schmelze, der Schlackenanteil bei 10 bis
15 kg/t. Weitere Vorteile der überhitzungsfreien Energieübertragung bestehen darin, dass kein voreilender Feuerfestverschleiß durch überhöhte Wandtemperaturen eintritt, die Gasaufnahme
aus der Atmosphäre stark eingeschränkt
wird und dass vor allem der Abbrand der
Einsatz- und Legierungsstoffe minimal
ist.
systeme für Stromversorgung und Ofenspule, die Rauchgasabsaugung sowie
das Leitsystem für die Prozesssteuerung
[7]. Die Anlage ist durch die folgenden
Merkmale gekennzeichnet.
Energieübertragung ohne
Übertemperatur
Der Tiegelofen selbst ist ein einfach aufgebautes Schmelzaggregat, das entspre-
Bild 9: a) Feldbild eines Mittelfrequenz-Tiegelofens, b) Kraftverteilung und Strömungs­
verlauf [8]
Fig. 9: a) Field image of a medium-frequency crucible furnace, b) Power distribution and
flow pattern [8]
366
elektrowärme international · Heft 4/2011 · Dezember
Induktive Badbewegung
Wie die schematische Darstellung in
Bild 9a zeigt, verläuft der vom Spulenstrom erzeugte magnetische Fluss zum
Teil durch die Schmelze, zum größten Teil
durch die zwischen Spule und Schmelze
befindliche Tiegelwand [8]. Die außen
liegenden Blechpakete bilden einen magnetischen Rückschluss und führen damit das äußere magnetische Streufeld
so, dass eine unzulässige Erwärmung der
umgebenden Ofenkonstruktion verhindert wird.
Aus dem Zusammenwirken der in der
Schmelze induzierten Wirbelströme und
der magnetischen Induktion entstehen
elektromagnetische Kräfte, die im Wesentlichen radial zur Tiegelachse gerichtet sind und somit die Schmelze von der
Tiegelwand nach innen drücken. Dem
entgegen wirkt die Schwerkraft, so dass
sich an der Badoberfläche eine Kuppe bildet. Darüber hinaus entsteht eine
Badströmung in Form von zwei gegeneinander drehenden Wirbeltoroiden dadurch, dass der radiale Druck auf die
Schmelze aufgrund des Ausstreuens des
Feldes an den Spulenenden etwa auf
halber Spulenhöhe ein Maximum aufweist (Bild 9b).
Fa c h b e r i c h t e
Die induktive Badbewegung führt zunächst zu einer idealen Homogenisierung der Schmelze in Bezug auf die chemische Zusammensetzung und Temperatur. Weiterhin ist sie von Vorteil für das
Einrühren von spezifisch leichten Stoffen
wie Spänen, Stanzabfällen, Shredderschrott und Eisenschwamm. Bei geeigneter Chargierweise werden diese Stoffe
spontan in die Schmelze eingerührt, so
dass optimale Wärmeübertragungsbedingungen für das Schmelzen der Einzelstücke gegeben sind.
Umrichter-Stromversorgung
Die Stromversorgung der Ofenspule erfolgt entsprechend Bild 8 über einen
Transformator, einen Frequenzumrichter und eine die Ofenblindleistung kompensierende Kondensatorbatterie. Somit stellt der Induktionsofen bei einem
cos φ von etwa 0,95 im Leistungsbereich
von 60 bis 100 % der Nennleistung für
das elektrische Versorgungsnetz eine
„rein“ ohmsche Last dar, die außerdem
zeitlich konstant, also ohne kurzfristige
Schwankungen ist. Da zusätzlich die Einschaltung des Ofens über eine zeitliche
Rampe erfolgt, wird jede Art von Flicker
und Netzbelastung durch Rush-Ströme
vermieden. Weiterhin werden durch.
24-Puls-Auslegung des Umrichters die
5., 7., 11., und 13. der vom Wechselrichter verursachten Oberschwingungen
weitgehend reduziert, so dass erst die
23. für das Netz wirksam wird und damit
im Normalfall ohne störende Nebenwirkung bleibt.
Der vom Umrichter eingespeiste Strom
schwingt mit einer Resonanzfrequenz
(zwischen 60 und 110 % der Nennfrequenz), die sich im Hochstromkreis zwischen Ofenspule und Kondensatorbatterie selbständig einstellt und damit eine
einfache Konstantleistungsregelung ermöglicht. Durch variable Strom, Spannung und Frequenz wird die verfügbare Leistung praktisch bei jedem Zustand
des Schmelzguts im Tiegel, d. h. über
die gesamte Schmelzperiode, voll nutzbar. Daraus ergeben sich die Hauptvorteile der Umrichter-Stromversorgung
gegenüber dem konventionellen Netzfrequenz-Ofen, der bei starrer Netzfrequenz nur im Sumpfbetrieb wirtschaftlich arbeitet: Die variable und höhere
Frequenz des Spulenstroms im Schwingkreis mit den Variablen Strom und Spannung erlaubt, dass man den MF-Ofen
ohne Einbuße bei der Schmelzleistung
im Chargenbetrieb, d. h. ohne Sumpf,
mit festen Einsatzstoffen betreiben und
dass man ihn bei gleichem Fassungsvermögen mit einer mehrfach höheren Leistung ausrüsten kann [9]. Darauf beruht
der essentielle Fortschritt gegenüber der
Situation in den 1970er Jahren, wo Anstrengungen zum Einsatz des NF-Induktionsofens für die Stahlerzeugung mehr
oder weniger erfolglos unternommen
wurden [10].
Betriebs- und Umweltverhalten
Das Prinzip der direkten Energieübertragung führt zu hohem Ausbringen der
Einsatzstoffe mit geringer Staubemission, wie oben beschrieben. Die Lärmbelastung wird in zulässigen Grenzen unter
85 bis 83 dB(A) gehalten, indem einerseits die lärmemittierenden Stromversorgungskomponenten (Drossel, Umrichter, Kondensatorbatterie) in geschlossenen Räumen untergebracht werden und
andererseits bei der Ofenbauweise die
Forderung nach niedriger Lärmemission
berücksichtigt wird sowie Ofengehäuse
und -plattform lärmgedämmt werden
[11]. Auch die geringe Hitzebelastung
der Umgebung macht den Induktionsofen zu einem arbeitsplatzfreundlichen
Schmelzaggregat.
Feuerfestauskleidung
Im Regelfall werden die Tiegelöfen mit
pulverförmigen Trockenmassen zugestellt, die im Ofen zu einem monolithischen, aber elastischen Tiegel gesintert
werden. Dabei stellt das Induktionsverfahren besondere Anforderungen an die
Feuerfestauskleidung:
• Möglichst geringe Wanddicke, um
den Aufwand für die Kondensatorbatterie zur Kompensation der Blindleistung gering und den elektrischen
Wirkungsgrad hoch zu halten.
• Keine Metallpenetration in die Feuerfestwand, da elektrisch leitende
Stoffe im Ofenfutter induktiv aufgeheizt werden, so dass die eindringende Metallschmelze nicht zum Stehen
kommt, sondern bis zur Spule vordringt und dort zum Windungsschluss
oder sogar zum Austritt führt.
• Hohe mechanische und chemische
Beständigkeit, um der Beanspruchung
durch die Badbewegung standzuhalten.
Diese Anforderungen werden für das
induktive Schmelzen von Eisenguss
durch quarzitische Trockenmassen er-
füllt. Quarzit ist jedoch für die Herstellung von Stahlschmelzen wegen unzureichender thermischer und chemischer
Beständigkeit ungeeignet. Für diesen
Einsatz sind spinellbildende Trockenmassen auf MgO- und Al2O3-Basis die
bevorzugten Baustoffe. Sie zeichnen
sich aus durch eine hohe Temperaturanwendungsgrenze von über 1.750 °C
bei gleichzeitig günstigem Temperaturwechselverhalten und geringer Infiltrationsneigung.
Das zuletzt genannte Merkmal beruht
vor allem auf der Spinellbildung während des Sinterns der eingebrachten
Masse: Die Bildung des Spinells (MgO ·
Al2O3) aus Magnesit und Korund ist
mit einer Volumenzunahme von 7,9 %
verbunden, die nicht nur die beim Sintern ohne solche Reaktionen ab etwa
1.200 °C auftretende Sinterschwindung
kompensiert, sondern zu einer zusätzlichen Verdichtung in der Sinterschicht
führt [12].
Fazit
Für die weltweit weiter wachsende Elektrostahlerzeugung steht der Induktionsofen als alternatives Schmelzaggregat
zum etablierten Lichtbogenofen bereit.
Er bietet verfahrens- und umwelttechnische Vorteile, die ihn für den wirtschaftlichen Einsatz in kleineren Ministahlwerken interessant machen. Nachdem entsprechende frühere Bemühungen mit
dem Netzfrequenztiegelofen nicht erfolgreich waren, sind nunmehr mit der
Stromversorgung auf Basis von Hochleistungsumrichtern sowie mit neutralen
und basischen Feuerfestauskleidungen
die Voraussetzungen für den erfolgreichen Einsatz im Stahlwerk gegeben, auf
die im Teil 2 dieses Beitrags eingegangen wird.
Literatur
[1] Ameling, D.: Ressourceneffizienz – Stahl
ist die Lösung. BDSV Jahrestagung, Berlin, Sept. 2007
[2] World Steel Association: Steel Statistical
Yearbook 2011
[3] Krüger, K.; Pfeifer, H.: Lichtbogenöfen.
In: Pfeifer, H.; Nacke, B.; Beneke, F.
(Hrsg.): Praxishandbuch Thermoprozesstechnik, Bd. II, 2. Auflage, Vulkan-Verlag
GmbH, Essen, 2011, S. 43–80
[4] Stahlfibel, Verlag Stahleisen, Düsseldorf
2002
elektrowärme international · Heft 4/2011 · Dezember
367
Fa c h b e r i c h t e
[5] Ouvradou, C.: European Perspective on
the Role of the EAF. 8th European Electric Steelmaking Conference, Birmingham, 9–11 May 2005, pp. 15–30
Zeitschrift für
elektrothermische Prozesse
NEU
Jetzt als
Heft
oder als
ePaper
erhältlic
h
Lesen Sie regelmäßig das führende Branchenmagazin für die elektrothermische Prozesstechnik
und den elektrisch beheizten Industrieofenbau.
Nachrichten aus Industrie, Forschung, Fachverbänden
und Unternehmen. Präsentation von Produkten,
Verfahren und technologischen Entwicklungen.
[6] Schliephake, H.; Steffen, R.; Lüngen,
H. B.: Einsatzstoff Eisenschwamm und
Eisencarbid. In: Heinen, K.-H.: Elektro­
stahl-Erzeugung, 4. Auflage, Verlag
Stahleisen GmbH, Düsseldorf, 1997,
S. 65–76
[7] Dötsch, E.: Induktives Schmelzen und
Warmhalten. Vulkan-Verlag GmbH, Essen, 2009, S. 15–53
[8] Wie [7], S. 7–11
[9] Dötsch, E.; Doliwa, H.: Wirtschaftliches
Schmelzen in Mittelfrequenz-Induktionsöfen. Gießerei 75 (1986) Nr. 17,
S. 495–501
[10] Dötsch, E.; Hegewaldt, F.: Schmelzen von
Stahl in Großraum-Induktions-Tiegel­
öfen. Fachberichte Hüttenpraxis Metallverarbeitung 15 (1977), S. 429–433
[11] Dötsch, E.; Gillhaus, H.: Der leise Mittelfrequenz-Tiegelofen für hohe Schmelzleistungen. ABB Technik (1993) Nr. 4,
S. 233–238
[12] Wie [7], S. 16–23
Dipl.-Ing. Mohamed Chaabet
ABP Induction Systems GmbH
Dortmund
Tel.: 0231/ 997 2451
E-Mail: mohamed.chaabet@
abpinduction.com
Dr. Erwin Dötsch
ABP Induction Systems GmbH
Dortmund
Tel.: 0231/ 997 2415
E-Mail: erwin.doetsch@
abpinduction.com
Wählen Sie einfach das Bezugsangebot,
das Ihnen zusagt!
· Als Heft das gedruckte, zeitlos-klassische Fachmagazin
· Als ePaper das moderne, digitale Informationsmedium für
Computer, Tablet-PC oder Smartphone
· Als Heft + ePaper die clevere Abo-plus-Kombination
ideal zum Archivieren
Alle Bezugsangebote und Direktanforderung
finden Sie im Online-Shop unter
www.elektrowaerme-online.de
Relaunch 2012
Weitere Informationen
und die neuen Media­
daten finden Sie unter:
www.elektrowaerme-online.de
Vulkan-Verlag GmbH
www.elektrowaerme-online.de
elektrowärme
international
· Heft
· Dezember
368
elektrowärme
international erscheint
in der Vulkan-Verlag
GmbH,4/2011
Huyssenallee
52-56, 45128 Essen