Luftzerlegungsanlage für Anwendungen in der Stahlindustrie

Warum integrierte Stahlwerke auf Anlagen vor Ort vertrauen Luftzerlegungsanlagen

Betriebliche Nachfragefaktoren: Hohe Mengen und hohe Reinheitsanforderungen an Sauerstoff, Stickstoff und Argon

Stahlwerke benötigen enorme Mengen industrieller Gase, die sehr strenge Reinheitsstandards erfüllen müssen. Nehmen Sie als Beispiel einen großen Hochofen: Dieser kann pro Stunde mehr als 300 Tonnen Sauerstoff verbrauchen. Das Verfahren des Sauerstoff-Blasverfahrens (Basic Oxygen Furnace) erfordert Sauerstoff mit einer Reinheit von mindestens 99,5 %, um eine gute Verbrennung zu gewährleisten und die Schlacke ordnungsgemäß zu steuern. Für Stranggussanlagen wird bei Stickstoff-Spülprozessen sogar Argon mit Reinheitsgraden über 99,999 % benötigt. Dadurch werden störende Oxidationsfehler in den Stahlblöcken vermieden. Angesichts dieser enormen Mengenanforderungen und der exakten Spezifikationen ist die Lieferung aller dieser Gase in Großmengen praktisch nicht realisierbar. Daher installieren die meisten Anlagen vor Ort luftzerlegungsanlagen (ASUs). Diese Systeme ermöglichen es Anlagenbetreibern, unmittelbar zu steuern, wie viel Gas sie produzieren, unter welchem Druck es bereitgestellt wird und – vor allem – wie rein es ist. Diese Flexibilität ermöglicht es ihnen, ihren Gasbedarf exakt an die jeweiligen Anforderungen der Produktionslinie anzupassen, die sich tagtäglich stellen.

Wirtschaftliche und Zuverlässigkeitsvorteile kryogener ASUs gegenüber der Lieferung von Großmengen Gas

Kryogene Luftzerlegungsanlagen bieten im Vergleich zur Bezugnahme von Gasen über externe Lieferanten erhebliche langfristige Vorteile. Wenn Unternehmen Gase vor Ort erzeugen, entfallen sämtliche zusätzlichen Kosten für den Transport kryogener Medien; zudem sind weder spezielle Handhabungs- noch Lagerungseinrichtungen mehr erforderlich. Und ehrlich gesagt möchte niemand, dass seine Produktion durch Lieferkettenprobleme lahmgelegt wird. Anlagen, die täglich mehr als 2.000 Tonnen Sauerstoff benötigen, stellen in der Regel fest, dass sich die Investition in eine kryogene Luftzerlegungsanlage (ASU) sehr rentiert. Studien zeigen, dass solche Anlagen im Vergleich zu Großlieferungen innerhalb von zehn Jahren zwischen 40 und 60 Prozent an Gas-Kosten einsparen können. Einige neuere Systeme gewinnen sogar Energie zurück – beispielsweise mittels Wärmerückgewinnung während der Kompressionsprozesse – und senken dadurch den gesamten Stromverbrauch um rund 15 %. Doch was wirklich am wichtigsten ist, ist eine zuverlässige Gasversorgung genau dort, wo sie benötigt wird. Anlagen, die auf diese Weise integriert sind, vermeiden jene katastrophalen Hochöfen-Abschaltungen, die pro Stunde Stillstand Millionen kosten können.

Kernanwendungen von Luftzerlegungsanlagen in der Stahlherstellung

Sauerstoffanreicherung im Hochofen: Steigerung der Produktivität und Reduzierung des Koksverbrauchs

Heutige Hochöfen blasen in der Regel Luft ein, die mit Sauerstoff angereichert ist (Sauerstoffkonzentration von etwa 25 bis 30 Prozent), wodurch die Koksmenge, die im Inneren verbrennt, deutlich erhöht wird. Die Folge? Die Erzeugung von Roheisen steigt um 15 bis 25 Prozent, gleichzeitig sinkt jedoch der Koksverbrauch um rund 200 bis 300 Kilogramm pro Tonne produziertem Eisen. Dies bedeutet geringere Betriebskosten für den Ofen sowie niedrigere Kohlendioxid-Emissionen pro Tonne hergestellten Eisens. Wenn Unternehmen eigene Luftzerlegungsanlagen vor Ort installieren, erhalten sie eine bessere Kontrolle über diesen Sauerstoffanreicherungsprozess. Diese Anlagen halten die intensiven Flammen stabil oberhalb von 2200 Grad Celsius, ohne dass Probleme durch Temperaturschwankungen entstehen. Eine verbesserte Temperaturregelung führt zu einem gleichmäßigeren Schlackenfluss und geringerem Verschleiß der Ofenauskleidungsmaterialien. Branchenexperten von Organisationen wie dem American Iron and Steel Institute haben diese Vorteile in ihren betrieblichen Richtlinien hervorgehoben und damit belegt, warum zahlreiche Stahlhersteller auf diese Technologie umsteigen.

Sauerstoffzufuhr im Basis-Sauerstoff-Ofen (BOF): Präzise Steuerung mit 99,5 % Reinheit

Der BOF-Stahlherstellungsprozess erfordert sehr reinen Sauerstoff, typischerweise über 99,5 %, um konsistente und wirksame Decarburisierungsergebnisse zu erzielen. Geringe Mengen an Verunreinigungen wie Stickstoff oder Feuchtigkeit können unvorhersehbare Oxidationsreaktionen hervorrufen, die die Ausbeute tatsächlich verringern und die Oberflächenqualität negativ beeinflussen. Kryogene Luftzerlegungsanlagen liefern diesen hochreinen Sauerstoff bei einem Druck von etwa 12 bis 15 bar über speziell konstruierte Sauerstofflanzen. Diese Lanzen ermöglichen es den Bedienern, Muster und Positionierung des Sauerstoffstroms mit deutlich größerer Genauigkeit zu steuern. Die verbesserte Präzision reduziert zufällige Eisenoxidationsverluste um rund 3 bis 5 Prozent im Vergleich zur Verwendung von Sauerstoff mit geringerer Reinheit. Dies ist besonders wichtig bei der Herstellung von Stählen, die strenge chemische Anforderungen für Anwendungen wie Automobilkomponenten und Rohrleitungsbaustoffe erfüllen müssen, bei denen Konsistenz absolut entscheidend ist.

Argon für Strangguss und Sekundärmetallurgie: Einschlusskontrolle mittels Ultra-Hochrein-Gas (99,999 %)

Für die Pfannenmetallurgie und Stranggussverfahren ist Argon mit ultra-hoher Reinheit in Konzentrationen über 99,999 % unverzichtbar. Durch das Einblasen dieses Gases in geschmolzenes Stahl wird unerwünschter Wasserstoff- und Stickstoffgehalt entfernt. Gleichzeitig werden störende nichtmetallische Einschlüsse wie Aluminiumoxid und Silikate nach oben verdrängt, wo sie in der Schlackenschicht eingefangen werden. Auch die Zahlen spielen eine entscheidende Rolle: Eine Gesamtverunreinigung von weniger als 10 ppm macht den entscheidenden Unterschied. Selbst geringste Mengen Stickstoff können zu lästigen Unterflächenblasen sowohl bei Edelstählen als auch bei elektrischen Qualitätsstählen führen. Werksanlagen, die auf Argon aus Luftzerlegungsanlagen umsteigen, verzeichnen deutliche Verbesserungen. Einige Betriebe berichten von einer Reduzierung der ausschließlichen Ausschussquoten aufgrund von Einschlüssen um mehr als 40 % bei ihren fertigen Brammen und Knüppeln. Diese Ergebnisse bestätigen die Erkenntnisse des International Iron and Steel Institute aus seiner jüngsten Qualitäts-Benchmarking-Studie 2023.

Energieeffizienz- und Systemintegrations-Herausforderungen für Luftzerlegungsanlagen in Stahlwerken

Wesentliche Energieverlustquellen: Exergieverluste im Hauptluftverdichter und Möglichkeiten zur Wärmerückgewinnung

Luftzerlegungsanlagen, üblicherweise als ASUs (Air Separation Units) bezeichnet, weisen bei der Integration in Stahlwerke Probleme mit der Energieeffizienz auf. Ein wesentlicher Teil des Problems liegt in der grundsätzlichen Funktionsweise dieser Systeme, wobei bestimmte Komponenten durch unvermeidbare thermodynamische Verluste an Effizienz einbüßen. Nehmen wir beispielsweise den Hauptluftverdichter: Er verbraucht rund 40 % der gesamten elektrischen Energie einer ASU. Bei genauerer Betrachtung stammt ein Großteil dieser verschwendeten Energie aus dem Verdichtungsprozess selbst, bei dem wertvolle Energie als Wärme verloren geht. Was danach geschieht, ist ebenfalls äußerst ineffizient: Das System erzeugt Abwärme mit hohen Temperaturen zwischen 150 und 300 Grad Celsius, doch die meisten Anlagen lassen diese Wärme einfach in die Atmosphäre entweichen, anstatt sie sinnvoll zu nutzen. Einige fortschrittliche Unternehmen installieren mittlerweile Wärmerückgewinnungslösungen wie organische Rankine-Zyklen oder erzeugen aus dieser Abwärme Niederdruckdampf. Diese Ansätze ermöglichen es tatsächlich, etwa zwei Drittel der verloren gegangenen thermischen Energie im gesamten Werk zurückzugewinnen. Dadurch wird die Sauerstoffproduktion nicht nur um rund 20 % energieeffizienter, sondern auch der Kühlwasserverbrauch sinkt deutlich. Dennoch bleibt die ordnungsgemäße Inbetriebnahme dieser Systeme eine Herausforderung. Die Regelungssysteme erfordern eine sorgfältige Koordination, damit die ASU ihre Leistung entsprechend den sich ändernden Anforderungen im Stahlherstellungsprozess anpassen kann. Insbesondere während jener kritischen Phasen, in denen Hochöfen ihre Produktionskampagnen wechseln oder Gießmaschinen umgestellt werden, können bereits geringfügige Druckschwankungen ganze Produktionsläufe beeinträchtigen.

FAQ

Warum benötigen Stahlwerke extrem hochreine Gase?

Stahlwerke benötigen hochreine Gase für die Präzision und Qualitätskontrolle in der Produktion. Hochreiner Sauerstoff, Stickstoff und Argon gewährleisten eine optimale Verbrennung, eine wirksame Schlackensteuerung und verhindern Oxidationsfehler in Stahlblöcken.

Welche Vorteile bieten kryogene Luftzerlegungsanlagen (ASUs) gegenüber der Lieferung von Großmengen Gasen?

Kryogene ASUs bieten Zuverlässigkeit und Kosteneffizienz. Anlagen sparen Transport- und Lagerkosten ein und vermeiden Unterbrechungen in der Lieferkette. ASUs ermöglichen zudem Energieeinsparungen sowie eine kontinuierliche Bereitstellung hochreiner Gase.

Wie verbessert Argon den Stranggussprozess?

Ultra-hochreines Argon verringert Verunreinigungen und nichtmetallische Einschlüsse im flüssigen Stahl, treibt diese Einschlüsse in die Schlackenschicht und trägt so zur Aufrechterhaltung der Stahlqualität bei. Dadurch sinken die Ausschussraten und die Produktionskonsistenz wird verbessert.

Welche Herausforderungen hinsichtlich der Energieeffizienz stellen ASUs?

Luftzerlegungsanlagen stehen vor Energieeffizienz-Herausforderungen aufgrund thermodynamischer Verluste, insbesondere bei dem Hauptluftkompressor. Zur Minderung von Energieverschwendung und zur Verbesserung der Gesamtwirksamkeit der Anlage werden Wärmerückgewinnungslösungen eingesetzt.