CD-Labor für Reaktive Strömungen in der Produktion und Veredelung von grünem Stahl

Die österreichische Metallindustrie, eine der wichtigsten wirtschaftlichen Säulen des Landes, steht vor drängenden Fragen, die die Zukunft von Innovation und Wettbewerbsfähigkeit bestimmen werden. Die dringlichsten Herausforderungen, denen sich die Industrie heute stellen muss, sind die Optimierung der Produktionseffizienz und die Minimierung von Abfall, Energieverbrauch und Umweltbelastung.

Metallurgische Prozesse beruhen auf der kontrollierten Anwendung von Wärme zum Schmelzen oder Verfestigen von Materialien. Während dieser Phasenübergänge spielen chemische Reaktionen eine wichtige Rolle bei der Reinigung und Veredelung der Materialien, um sicherzustellen, dass die Endprodukte den erforderlichen Spezifikationen und Qualitätsstandards entsprechen. Eine zentrale Herausforderung in der metallurgischen Industrie ist daher seit jeher die genaue Vorhersage und Steuerung des Stofftransports und der chemischen Umwandlungen. Um die Komplexität metallurgischer Prozesse zu erfassen, müssen außerdem Stofftransport und chemische Reaktionen mit Phänomenen wie turbulenten Strömungen in geschmolzener Schlacke und Metall, Erstarrung und Schmelzen, Gasentwicklung sowie Plasmaerzeugung und -ausdehnung integriert werden. In diesem CD-Labor werden diese Prozesse mit Hilfe fortgeschrittener numerischer Methoden gründlich untersucht.

Im Hinblick auf die industrielle Anwendung konzentriert sich dieses CD-Labor auf die kritischen Phasen der Erzeugung und Veredelung von grünem Stahl, beginnend mit der Gewinnung und Erzeugung im Elektrolichtbogenofen (EAF, „electric arc furnace“), über das Stranggießen bis hin zur Veredelung durch Elektroschlacke-Umschmelzen. Der Elektrolichtbogenofen ist das wichtigste Verfahren für den Übergang zum sogenannten grünen Stahl. Viele grundlegende Fragen der Verfahrenstechnik sind noch zu klären, die im Mittelpunkt dieses CD-Labors stehen.

Dazu gehört die Erforschung der Optimierung der chemischen Reaktionen und der Prozesseffizienz innerhalb des Elektrolichtbogenofens, die für die Produktreinheit entscheidend sind. Die Rolle der CO-induzierten Schaumbildung in der Schlacke bei der Wärmeisolierung des Ofens wird ebenfalls untersucht. Darüber hinaus werden die Auswirkungen der Elektrodenerosion auf die Lichtbogenstabilität, den Prozessbetrieb und das Risiko von Fehlern im Stahlendprodukt untersucht. Ein weiterer Schwerpunkt ist das Ersetzen von Kohlenstoff durch Wasserstoff, da dabei Wasser anstelle von CO2 als Abgas freigesetzt wird, um die Umweltauswirkungen zu verringern. Das Verständnis der Reaktionsgeschwindigkeiten und der Schlackenchemie unter diesen Bedingungen ist entscheidend.

Ein weiterer Aspekt der Forschung sind chemische Reaktionen und die Qualitätskontrolle beim Stranggießen. Dabei geht es um die Untersuchung der komplexen Wechselwirkungen innerhalb des Schlackenbandes, das aus der Pulverschicht, der Sinterschicht und der flüssigen Schlacke besteht. Ziel ist es, den Schlackenschutz zu verbessern und Herausforderungen wie die Reoxidation der Schmelzoberfläche und die Bildung von Einschlüssen zu überwinden. Dies soll eine hohe Stahlreinheit und eine höhere Produktionseffizienz im Stranggussverfahren gewährleisten.

Der dritte Forschungsaspekt konzentriert sich auf die Reinigung und den stabilen Betrieb beim Elektroschlacke-Umschmelzen. Dabei geht es um die kritischen Stoffübergangsphänomene, die an den Grenzflächen Schlacke-Metall-Kokille-Luft beim Elektroschlacke-Umschmelzprozess auftreten. Darüber hinaus wird das Schmelzverhalten der Elektrode beim Umschmelzen optimiert, um einen stabilen Prozessbetrieb zu gewährleisten. Scale-up-Effekte beim Übergang vom Labor- zum großtechnischen Elektroschlacke-Umschmelzen werden ebenfalls untersucht.