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Tiegelbetrieb

Linz & Donawitz – ein Verfahren schreibt Geschichte

Das LD-Verfahren, LD steht dabei für Linz-Donawitz, wurde in den Jahren 1949 bis 1952 von Ingenieuren der voestalpine entwickelt und setzte bald zu einem ungeahnten Siegeszug rund um die Welt an. Mehr als 60 Prozent der weltweiten Rohstahlproduktion entfallen heute auf das LD-Verfahren. Weitere 35 Prozent der Weltstahlproduktion entfallen auf das Elektroofen-Verfahren, bei dem Schrott mittels elektrischer Energie über Graphitelektroden aufgeschmolzen wird. Anderen, älteren Verfahren wie dem Siemens-Martin-Verfahren kommen heute immer weniger Bedeutung zu, da die Vorteile des LD-Verfahrens deutlich überwiegen: man kann damit sehr große Mengen Stahl mit relativ geringen Investitions- und Verarbeitungskosten herstellen. Im Weiteren überzeugt der LD-Stahl durch seine besondere Güte, seine optimalen mechanischen Kennwerte und hervorragende Schweißbarkeit.

Einfach genial: der LD-Tiegel mit Sauerstofflanze

Der Konverter besteht aus einem einfachen, kippbaren Stahlgefäß, dem so genannten Tiegel, und ist mit feuerfestem Material ausgekleidet. Darin werden das flüssige Roheisen und Schrott in einem Verhältnis von 70 : 30 Masseprozent eingebracht. Außerdem kommen noch Legierungselemente wie Ferromangan, Ferrosilizium oder Aluminium (rund 10 kg/t Rohstahl) und Kalk (rund 60 kg/t Rohstahl) hinzu.

Im Anschluss wird durch eine wassergekühlte Sauerstofflanze technisch reiner Sauerstoff mit einem Druck von etwa 12 -14 bar auf das flüssige Eisenbad aufgeblasen. Nach einer Blaszeit von 15 - 20 Minuten sind die Begleitelemente - allen voran Kohlenstoff, Schwefel und Phosphor - des Roheisens auf das gewünschte Maß reduziert und der Schrott geschmolzen. Aus Roheisen ist Rohstahl geworden. Durch die Zufuhr der Inertgase Argon und Stickstoff über eine Bodenspülung im Konverterboden wird die Schmelze homogenisiert, sprich gemischt und vergleichmäßigt. Die Schmelze ist fertig geblasen, sobald die Temperatur und das gewünschte Grobziel der Analyse hinsichtlich Kohlenstoff und Phosphor eingestellt wurde. Danach wird sie in eine bereit stehende Pfanne abgestochen. Dabei ist es sehr wichtig, dass die oxidierte Konverterschlacke im Tiegel bleibt und nur Rohstahl über einen Abstichkanal in die Pfanne gelangt.

Reduktion der unerwünschten Begleitelemente

Stahl erzeugen heißt grob gesprochen aus den Ausgangsstoffen Roheisen und Schrott die unerwünschten Begleitelemente zu entfernen. Dadurch entsteht ein Produkt mit größerer Reinheit – Rohstahl.

Insbesondere der Kohlenstoffgehalt wird dabei deutlich herabgesetzt, aber auch die Anteile anderer Elemente wie Schwefel, Silizium, Mangan oder Phosphor werden verringert. Der Schwefelanteil wird auf eigenen Entschwefelungsständen, die in der Prozesskette noch vor den Konvertern angesiedelt sind, reduziert. Die Reduktion der anderen Elemente erfolgt hauptsächlich im Konverter durch Aufblasen von reinem Sauerstoff. Man nennt diesen Vorgang auch "Frischen". Beim Frischen werden die unerwünschten Begleitelemente mit Hilfe von Sauerstoff oxidiert (zum Beispiel C zu CO, Si zu SiO₂) und in das Abgas oder in die Schlacke übergeführt. Der Zuschlagstoff Kalk ist notwendig, um die oxidierten Elemente, die im Stahlbad verbleiben, in Form von Schlacke zu binden. Diese wird im Zuge des Abstichs vom Stahl getrennt aufgefangen.

Rohstahl und wertvolle Nebenprodukte

Das LD-Stahlwerk 3 der voestalpine in Linz produziert in drei Konvertern mehr als 5,1 Millionen Tonnen Rohstahl pro Jahr. Dieser wird in den Pfannenöfen und/oder in den RH-Anlagen ("Ruhrstahl-Hereaus-Anlagen") nachbehandelt und an den Stranggussanlagen zu Brammen vergossen.

Neben Rohstahl fallen bei der Stahlherstellung auch Stäube, Tiegelgas und Schlacke an. Die im Konverter anfallenden Primärstäube werden zu Briketts verpresst und wieder eingesetzt. Die bei der Manipulation von Roheisen entstehenden Sekundärstäube – sie fallen z.B. beim Chargieren der Tiegel an – werden in einer nachgeschalteten Anlage recycliert, wobei hier vor allem die Rückgewinnung von Zink zu erwähnen ist. Das beim Prozess anfallende Tiegelgas wird im Kraftwerk zur Stromerzeugung verwendet, die anfallende Schlacke wird ebenfalls zu fast 100 Prozent wiederverwertet und findet insbesondere als hochwertiges Baumaterial im Straßenbau Verwendung.

Sekundärmetallurgie

Stahlnachbehandlung für definierte Qualitäten

Stahl hat zum Zeitpunkt des Abstichs vom Konverter in die Stahlgießpfannen in den meisten Fällen noch nicht die richtige Qualität. Es sind entweder noch unerwünschte Spurenelemente wie zum Beispiel Schwefel und Gase wie Sauerstoff, Stickstoff, und Wasserstoff vorhanden, oder es fehlen Elemente, die dem Stahl die geforderten spezifischen Eigenschaften verleihen. Zur Qualitätsverbesserung und zur Einstellung der spezifischen Stahleigenschaften, insbesondere bei höherwertigen Stahlsorten, erfolgt daher eine Nachbehandlung in der so genannten Sekundärmetallurgie. Die voestalpine verfügt in Linz über drei Pfannenöfen, einen Konditionierstand und drei Ruhrstahl-Hereaus-Anlagen, kurz RH-Anlagen.

Der Pfannenofen

Metallurgische Behandlungen wie Desoxidieren, Entschwefeln und Legieren nehmen eine gewisse Zeit in Anspruch, wodurch die Temperatur der Schmelze in der Pfanne kontinuierlich abnimmt. Es ist daher unter bestimmten Betriebsbedingungen notwendig, den flüssigen Stahl zwischen Abstich und Vergießen zu erwärmen oder zumindest auf konstanter Temperatur zu halten. Dies erfolgt durch das Zwischenschalten des Pfannenofens oder des Konditionierstandes. Am Pfannenofen wird das Stahlbad in der Pfanne durch drei Grafitelektroden aufgeheizt.

Neben der Temperatureinstellung des Stahlbades für die nachgeschalteten Stranggießanlagen, dient der Pfannenofen auch zur Homogenisierung der Schmelze durch Inertgas, zur Tiefentschwefelung durch Einblasen von metallischem Calcium (CaSi, CaC₂ oder CaO) sowie zur Feineinstellung der Stahlanalyse und zur Modifizierung von Einschlüssen.

Die RH-Anlage

Die Vakuumbehandlung an den RH-Anlagen dient zur Erzeugung von Stählen mit höchsten Qualitätsanforderungen. Das Vakuumgefäß ist dabei mit zwei Saugrüsseln ausgestattet, die in die gefüllte Pfanne eintauchen. Durch Einspülen von Argon in einen der Rüssel wird ein kontinuierlicher Umlauf der Schmelze von der Pfanne in das Vakuumgefäß und zurück erzwungen. Im Vakuumgefäß wird der flüssige Stahl aufgrund des Druckabfalls in viele kleine Teile zerlegt. Die damit auftretende Oberflächenvergrößerung bewirkt eine sehr gute Entgasung der Schmelze.

Rund 40 Prozent der Stahlproduktion in Linz werden vakuumbehandelt - Tendenz steigend. Durch das Vakuumverfahren können verschiedene Effekte erzielt werden:

• Der Stahl wird "entgast". Das heißt, der Wasserstoffgehalt, der in bestimmten Fällen stört, und auch in geringerem Ausmaß der Stickstoffgehalt werden vermindert.
• Desoxidation und Entkohlung auf niedrigste Gehalte erfolgen durch die Verschiebung des metallurgischen Gleichgewichts unter Vakuum. Durch diesen Prozess gelingt es, im Stahl Kohlenstoffgehalte in der Größenordnung von 0,001 Masseprozent einzustellen
• Während der Entgasungsbehandlung können auch Legierungsmittel eingebracht werden. Beispiele hierfür sind C für hochkohlige Stähle und FeSi für Elektrobleche

Hochwertige Stähle mit besten Materialeigenschaften

Das Endprodukt der sekundärmetallurgischen Prozesse ist flüssiger Stahl in exakt jener Zusammensetzung wie vom Kunden gefordert. Über 400 Stahlqualitäten können heute im LD-Stahlwerk 3 der voestalpine hergestellt werden, von unlegierten Baustählen bis zu mikrolegierten und hochkohligen Spezialstählen. In welchen engen Parametergrenzen sich die Stahlherstellung heute bewegt, zeigt das Beispiel Kohlenstoff, der in der Sekundärmetallurgie in der Größenordnung von einem Tausendstel Masseprozent eingestellt werden kann.