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Über dieses Buch

Dieses Buch beschreibt die metallurgischen Vorgänge, Thermodynamik, Strömungsmechanik und Verfahrenstechnik der Roheisenerzeugung im Hinblick auf die Hüttenwerks- und Gasreinigungsanlagen. Zahlreiche Abbildungen veranschaulichen den die Beschreibungen.

Inhaltsverzeichnis

Frontmatter

1. Historischer Rückblick der Stahlerzeugung

Zusammenfassung
Coalbrookdale ist eine Ortschaft in der Unitary Authority Telford and Wrekin nahe Shrewsbury in England. Sie ist eine der Geburtsstätten der Industriellen Revolution, weil hier ab 1708 der erste von Abraham Darby I (1676–1717) entwickelte mit Koks gefeuerte Hochofen betrieben wurde. Es gelang ihm auch, die Steinkohle in einem Meiler unter Ausschluss von Luft zu Koks so zu veredeln, um die Schmelztemperatur des Eisens zu erreichen. Der hohe Schwefelgehalt im Eisen, der die Verwendung von Koks mit sich brachte, konnte durch Zugabe von Kalk reduziert werden. Abb. 1.1 zeigt in einem Gemälde den historischen Ort mit dem Feuer der ersten Koks-Hochofenanlage.
Karl-Rudolf Hegemann, Ralf Guder

2. Feinstaubprobleme

Zusammenfassung
Heute stehen wir in der Luftreinhaltung vor neuen Aufgaben. Es ist der zunehmende Anstieg an unsichtbarem Feinstaub in der Luft, der sich als Schwebstaub bemerkbar macht. Als Schwebstoff bezeichnet man alle Teilchen, die bei ihrer Freisetzung nicht sofort zu Boden sinken, sondern eine Weile in der Luft bleiben. Diese Eigenschaft ermöglicht es den Teilchen, sich über sehr weite Entfernungen zu verteilen. Auch der „Saharastaub“, der vom Wind bis nach Europa getragen wird, ist Schwebestaub.
Karl-Rudolf Hegemann, Ralf Guder

3. Reduktion und Direktreduktion der Eisenerze Quellen für Emissionen

Zusammenfassung
Die Rohstahlerzeugung wird durch zwei wesentliche Verfahrensrouten gekennzeichnet: durch den Weg vom „Eisenerz zum Stahl“ über die Reduktion und Direktreduktion der Eisenerze und durch den Weg vom „Schrott zum Stahl“. In Abb. 3.1 sind diese Verfahrensrouten der Rohstahlerzeugung dargestellt.
Karl-Rudolf Hegemann, Ralf Guder

4. Eisenerzminerale

Zusammenfassung
Eisenerze sind Gemenge aus natürlich vorkommenden chemischen Verbindungen des Eisens und nicht- oder kaum eisenhaltigem Gestein. Die natürlichen Eisenverbindungen werden als Eisenerzminerale bezeichnet und das übrige Gestein als Gangart oder auch taubes Gestein. Die Eisenerzminerale sind bei den wirtschaftlich bedeutenden Lagerstätten meist Eisenoxide oder Eisencarbonate.
Karl-Rudolf Hegemann, Ralf Guder

5. Sinteranlagen

Zusammenfassung
In den Sinteranlagen wird aus einer Mischung von Feinerz, anderen eisenhaltigen Roh- und Kreislaufstoffen, Koksgrus sowie Zuschlägen, wie z. B. Kalkstein, Branntkalk und Dolomit, der Fertigsinter für den Einsatz im Hochofenprozess hergestellt. Die Mischung wird hierzu auf ein umlaufendes Band gegeben, von oben mit einem gasbeheizten Zündofen gezündet und durch Anlegen eines Unterdrucks auf der Sinterbandunterseite mit Luft durchströmt. Während des Transports auf dem Sinterband wandert die Brennfront von oben nach unten durch die Sintermischung, wobei infolge partiellen Schmelzens ein Konglomerat entsteht. Durch grobes Brechen, Absieben und Kühlen wird daraus der Fertigsinter für den direkten Einsatz im Hochofenprozess hergestellt.
Karl-Rudolf Hegemann, Ralf Guder

6. Kokerei

Zusammenfassung
In den Kokereien der Hüttenwerke wird durch Verkokung gemahlener Kohlemischungen Koks für den Hochofenbetrieb hergestellt. Der Koks dient im Hochofenprozess der Reduktionsgaserzeugung und damit der Reduktion der Eisenoxide zu metallischem Eisen sowie der Aufkohlung des Roheisens. Gleichzeitig bildet er das Stützgerüst im Hochofenschacht und gewährleistet eine gute Durchgasung der Möllersäule.
Karl-Rudolf Hegemann, Ralf Guder

7. Hochofen

Zusammenfassung
Im Hochofen werden die im Sinter bzw. den Eisenerzen enthaltenen Oxide reduziert sowie unerwünschte Begleitelemente aus dem Roheisen in die Schlacke abgetrennt. Die erforderliche Energie für den Reduktions- und Schmelzprozess wird durch Koks und weitere Reduktionsmittel wie Kohle, Öl oder Gas bereitgestellt. Das erzeugte Produkt ist flüssiges Roheisen, das in den Oxygenstahlwerken entkohlt und zu Flüssigstahl weiter verarbeitet wird. Als Nebenprodukt entsteht Gichtgas, das nach zweistufiger Entstaubung zur Beheizung der Winderhitzer und zur Stromerzeugung im Kraftwerk genutzt wird. Die Hochofenschlacke wird nach der Aufbereitung u. a. als Zuschlagstoff in der Zementindustrie oder als Stückschlacke im Straßenbau verwendet.
Karl-Rudolf Hegemann, Ralf Guder

8. Störungen des Hochofenbetriebes

Zusammenfassung
Die Störungen des Hochofenprozesses dürfen in der Gichtgasreinigungsanlage keine Beeinträchtigungen hervorrufen.
Karl-Rudolf Hegemann, Ralf Guder

9. Stillsetzen des Hochofenbetriebes

Zusammenfassung
Je nachdem, ob das Hüttenwerk den Hochofen nur kurzfristig stillsetzt (Dämpfen) oder komplett herunterfahren und stilllegen (Ausblasen) will, sind verschiedene Verfahrensweisen notwendig.
Karl-Rudolf Hegemann, Ralf Guder

10. Anblasen des Hochofenbetriebes

Zusammenfassung
Nach Beendigung der Ofenreise wird zumeist die komplette Auskleidung aus feuerfesten Steinen erneuert, Abb. 10.1 und 10.2. Oft wird der Ofenstillstand auch dazu genutzt, um Neuerungen zu verwirklichen. Allerdings kann ein Hochofen bei guter Qualität der restlichen Bauteile mehrere Ofenreisen bis zur endgültigen Stilllegung überstehen. Der Großhochofen 2 in Duisburg-Schwelgern beendete seine erste Ofenreise nach 21 Jahren.
Karl-Rudolf Hegemann, Ralf Guder

11. Hochofenanlagetechnik

Zusammenfassung
Da moderne Hochöfen (Gegendruck-Hochöfen) mit Überdruck arbeiten, hat der Gichtverschluss die Funktion einer Materialschleuse. Durch den Gichtverschluss ist der Ofenkopf gegen die freie Atmosphäre abgedichtet. Den ersten Gichtverschluss erfand George Parry 1850, der später als „Parry-Trichter“ bekannt wurde.
Karl-Rudolf Hegemann, Ralf Guder

12. Hochofenschlacke

Zusammenfassung
Die Abb. 12.1 und 12.2 zeigen das Entleeren der Schlackenpfanne in das Schlackenbeet. In den letzten Jahren konnte der Hochofenschlackenanfall durch verfahrenstechnische Verbesserungen von 700 kg/t RE (RE Roheisen) auf 220–300 kg/t-RE reduziert werden. Die Hochofen- und Stahlwerksschlacken machen ca. 90 % des Gesamtanfalls an Schlacken aus. Die Kontrolle der Abkühlbedingungen in den Schlackenbeeten gestattet es, aus der flüssigen Hochofenschlacke unterschiedliche Produkte zu erzeugen.
Karl-Rudolf Hegemann, Ralf Guder

13. Gichtgas und Gichtgasstaub

Zusammenfassung
Gichtgas bzw. Hochofengas besteht neben seinen Hauptkomponenten CO und CO2 vor allem aus H2. Als Brenngas ist es einer der Hauptenergielieferanten im Hüttenwerk. Das gereinigte Gichtgas wird zur Erwärmung des Windes in den Winderhitzern, für den Zündofen der Sinteranlage, in Walzwerken (Wärmeöfen), Dampfkesseln (Gaskraftwerke), Kokskammern, Fernwärmeheizungen und als Treibstoff für Gasmotoren verwendet. In Abb. 13.1 sind die Brenngasverwertungen aus dem Hütten- und Stahlwerk dargestellt.
Karl-Rudolf Hegemann, Ralf Guder

14. Zink/Blei im Hochofen und dessen Reaktionsverhalten

Zusammenfassung
Zink (Zn) wird wie Natrium (Na) und Kalium (K) vor allem als Oxid oder Silikat in den Hochofen eingebracht und bei den dort herrschenden Bedingungen im Temperaturbereich zwischen 900–1100 °C reduziert. Bei diesen drei Elementen liegt jeweils die Reduktionstemperatur über der Verdampfungstemperatur. Daher ist die Reduktionstemperatur mit dem Verdampfen der Elemente gekoppelt.
Karl-Rudolf Hegemann, Ralf Guder

15. Trockene Grobstaubabscheidung des Gichtgases

Zusammenfassung
Vor einer energetischen Verwertung muss das Gichtgas gereinigt werden. Pro Tonne Roheisen entstehen ca. 1800 mn3 Gichtgas mit ca. 15 g/mn3 Staub an der Ofengicht.
Karl-Rudolf Hegemann, Ralf Guder

16. Wirblerauslegung

Zusammenfassung
Abb. 16.1 zeigt einen Wirbler (Zyklon) mit tangentialem Einlauf und Abb. 16.2 den mit einem Axial-Schaufelgitter. Ein Wirbler mit zylindrischem Gehäuse ist in Abb. 16.4 dargestellt.
Karl-Rudolf Hegemann, Ralf Guder

17. Nasse Feinstaubabscheidung des Gichtgases

Zusammenfassung
Als 1964 mit dem Hochofen 4 in Hamborn der damaligen August-Thyssen-Hütte (ATH) die neue Generation der Gegendruck-Hochöfen begann, wurde die Druckregelung an der Ofengicht und die Druckreduzierung auf Netzgasdruck zunächst über Drosselklappen in einer sogenannten Septum-Valve-Station, Abb. 17.1, nach der Feinreinigung vorgenommen.
Karl-Rudolf Hegemann, Ralf Guder

18. Vorwasch-Kühler-Auslegung

Zusammenfassung
Die Gaskühlung und Abscheidung im Waschturm der ersten Stufe (Abb. 17.​2) erfolgt in 5 bis 8 Düsenebenen mit zweiseitig spritzenden, verstopfungsfrei arbeitenden Hohlkegel-Dralldüsen, die in der Mitte des Wäschers über austauschbare Düsenarme angeordnet sind.
Karl-Rudolf Hegemann, Ralf Guder

19. Ringspalt-Wäscher-Auslegung

Zusammenfassung
Der klassische Venturi-Wäscher, Abb. 19.1, besteht in Strömungsrichtung aus einem Konfu-sor, einer Kehle und einem Diffusor. Das eintretende Gas-Staubgemisch wird im Konfusor be-schleunigt und erreicht im engsten Querschnitt, der Kehle, seine höchste Aufprallgeschwin-digkeit mit dem Waschwasser, das dort quer zum Gasstrom hinzugegeben wird.
Karl-Rudolf Hegemann, Ralf Guder

20. Druckdrosselung im Ringspalt-Wäscher

Zusammenfassung
Die Geschwindigkeit, mit der sich Druck- und Dichteschwankungen nicht zu hoher Amplituden in einem kompressiblen Medium fortbewegen, nennt man Schallgeschwindigkeit a, die bei Einphasen- und Zweiphasen-Strömungen unterschiedlich ist.
Karl-Rudolf Hegemann, Ralf Guder

21. Wasserabscheidung

Zusammenfassung
Der Entstaubungsgrad eines Wäschers ist nur so gut, wie der Wirkungsgrad des ihm nachgeschalteten Wasser- und Tropfenabscheiders ist. Der Trennvorgang vollzieht sich wie bei der Staubabscheidung nach den Gesetzen der Phasentrennung. Die staubbeladenen Tropfen sind jetzt die abzuscheidende disperse Phase im Gasstrom.
Karl-Rudolf Hegemann, Ralf Guder

22. Tropfen-Abscheidung

Zusammenfassung
Der Reststaubgehalt im Reingas resultiert aus den Staubanteilen in der Tropfen- sowie Gasphase. Ein Reingasstaubgehalt von ca. \( 3\ \mathrm{mg}/{\mathrm{m}}_{\mathrm{n}}^3 \) erfordert eine nahezu vollkommene Tropfen-Abscheidung bis auf 3–4 g/nm3.
Karl-Rudolf Hegemann, Ralf Guder

23. Hochofen-Waschwasser-Behandlung

Zusammenfassung
Das Waschwasser der nassmechanischen Feinstaubabscheidung wird über die Waschwasser-Behandlungsanlage im Kreislauf geführt. Dabei muss ein relativ kleiner Anteil der Wassermenge aus dem Kreislauf ausgeschleust und durch Zusatzwasser inklusive Wasserverluste (Verdampfung, Abschlemmung) ersetzt werden, um eine Anreicherung im Wasser von ausgewaschenem und gelöstem Chlorwasserstoff (HCl) zu verhindern. Ohne den Betrieb einer Druck-Entspannungsturbine wird das Kreislaufwasser über einen Kühlturm geführt. Die dadurch erzielte Wasserdampf-Kondensation im Waschkühler verringert den Zusatzwasseranteil und erhöht den Heizwert des feuchten Gichtgases durch weniger Wasserdampf als Inertgas-Komponente. Im Turbinenbetrieb ohne Kühlturm findet die Kondensation in der Druck-Entspannungsturbine statt.
Karl-Rudolf Hegemann, Ralf Guder

24. Druckentspannungsturbine für Hochöfen

Zusammenfassung
Der Gegendruck-Hochofen stellt für die Gichtgasbehandlung insofern eine verfahrenstechnische Besonderheit dar, als er aus Gründen der Produktionssteigerung ein komprimiertes, d. h. arbeitsfähiges Gas liefert, dessen Energie sowohl für die Entstaubung (Kap. 19) als auch zur Energieumwandlung in elektrische Energie durch Druckentspannungsturbinen genutzt werden kann.
Karl-Rudolf Hegemann, Ralf Guder

25. Hochofendruck-Regelung im Turbinenbetrieb

Zusammenfassung
Die Anordnung der Armaturen im Bereich Turbine ist aus dem Fließschema Abb. 25.1 ersichtlich. Die Turbine ist in Reihe zum Ringspalt-Wäscher angeordnet. Bei Turbinenbetrieb strömt das Gas vom Ringspalt-Wäscher kommend über die Schnell-Schluss-Klappe SSK durch die Druckentspannungsturbine (TRT). Über den von der Turbine angetriebenen Generator wird mechanische in elektrische Energie umgewandelt.
Karl-Rudolf Hegemann, Ralf Guder

26. Trockene Feinstaubabscheidung des Hochofengases

Zusammenfassung
Die Feinstaubabscheidung von Gichtgas erfolgt weltweit fast ausschließlich mit Ringspalt-Wäschern, wie zuvor in den Kap. 192021 und 22 beschrieben.
Karl-Rudolf Hegemann, Ralf Guder

27. Gegenüberstellung

Zusammenfassung
der nassen und trockenen Hochofengas-Feinreinigung
Karl-Rudolf Hegemann, Ralf Guder

28. Anhang/Tabellen

Zusammenfassung
Anhang/Tabellen
Karl-Rudolf Hegemann, Ralf Guder

Backmatter

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