Wasserstoffbasierte Direktreduktion (DR) ist die vielversprechendste Technologie, hinsichtlich einer CO2-neutralen Stahlproduktion. Während beim heute vorherrschenden Hochofenverfahren, Reduktion, Aufschmelzen und Abtrennen der Gangart simultan erfolgen, zeichnet sich die Direktreduktion durch eine Gas-Feststoffreaktion aus. Folglich entsteht ein Zwischenprodukt, welches in einem separaten Schritt aufgeschmolzen werden muss. Dieser Eisenschwamm oder Direct Reduced Iron (DRI) ist ein Verbund aus metallischem Eisen, Resteisenoxid, Gangart und üblicherweise Kohlenstoff. Als häufigste Form gilt DRI als Pellet, wobei verfahrensabhängig auch Briketts (Hot Briquetted Iron, HBI) oder Feinmaterial mit Korngrößen von <8 mm möglich sind. Stand heute, ist der Elektrolichtbogenofen (Electric Arc Furnace, EAF) das bevorzugte Einschmelzaggregat von DRI auf Erdgasbasis. Wenngleich die integrierte Route DR-EAF im Vergleich zur Kombination aus Hochofen (Blast Furnace, BF) und LD-Konverter (Basic Oxygen Furnace, BOF) eine quantitativ untergeordnete Rolle spielt, kann diese Strategie als industriell erprobt bezeichnet werden und ist vor allem in
erdgasreichen Ländern – wie z. B. Iran, Saudi-Arabien, Vereinigte Arabische Emirate oder Mexiko – weit verbreitet. Betrachtet man die Umstellung europäischer BF-BOF Stahlwerke auf die Route DR-EAF, stößt man bei der Auswahl des Eisenträgers auf eine Herausforderung. Während erstere auf günstige Eisenerze, oftmals Sinterfeed, mit 58%<Fetot<65% setzen, benötigen letztere sogenannte „DR-grades“. Dies sind hochqualitative Erze mit einem Eisengehalt >67%, stellen jedoch bezogen auf die Gesamteisenerzproduktion eine teure Minderheit dar. Eine weitere Aufbereitung von günstigeren Erzen ist mit zusätzlichem Aufwand verbunden und verringert die Gesamteisenausbringung. Weiters beeinträchtigt ein Schwenk zu höherwertigen Erzen die Wirtschaftlichkeit einer Hütte maßgeblich. Folglich ist die Verarbeitung solcher weniger qualitativen Erzen zu Rohstahl eine der entscheidenden Fragestellungen für die Dekarbonisierung der Stahlindustrie.
Im Zuge dieser Arbeit werden einige Aspekte hinsichtlich des Einschmelzens von DRI zu Rohstahl oder Roheisen genauer beleuchtet. Massenbilanzrechnungen mit verschiedenen Modellfällen dienen einerseits zur Definition möglicher Verarbeitungsweisen und zeigen andererseits Stärken und Schwächen dieser Routen auf. Dabei zeigt sich, dass der Elektrolichtbogenofen das beste Aggregat bei hochqualitativem Eisenschwamm ist. Bei schlechterer Erzqualität ergeben sich Vorteile einer zweistufigen Verarbeitung, bestehend aus einem simultanen Einschmelzen, Ausreduzieren und Abschlacken in einem Smelter und einem Frischen des dabei entstehenden Smelter-Roheisens in einem LD-Konverter. Weiters wird das Verhalten von Phosphor untersucht. P, im Erz als Apatit abgebunden, verbleibt während der Direktreduktion in dieser oxidischen Form im DRI. Im Vergleich zu BF-Roheisen, in dem der Phosphor reduziert und gelöst vorliegt, lässt sich dadurch ein Vorteil erwarten, da die Ausreduktion im Einschmelzaggregat mit einer kinetischen Verzögerung verbunden sein kann.
Im Zuge von Eintauchtests wird gezeigt, dass einerseits Kohlenstoff eine entscheidende Rolle bei der Auflösung von DRI spielt und andererseits ein großer Unterschied bei Kontakt mit Schlacke oder Schmelze herrscht. Während H2-basiertes, kohlenstofffreies Material träge reagiert, beschleunigt C die Erweichung. Ergänzend ist ein Kontakt mit der Stahlschmelze zu bevorzugen, da der Kontakt mit Schlacke einen langsamen Wärmeeintrag nach sich zieht. Diese Beobachtungen korrelieren mit Ergebnissen aus Laborlichtbogeneinschmelzversuchen. Aufgekohltes DRI zeichnet sich durch die Abwesenheit von Lunkern und einer guten Separierung von der Gangart aus. Der Lichtbogen führt zu einer intensiven Durchmischung des Bades. Daraus lässt sich schließen, dass das Rohmaterial möglichst im Hotspot aufgegeben werden soll, da dort am ehesten Kontakt mit der metallischen Phase eintritt.
Abschließend wird die Schaumschlackenbildung untersucht und bestätigt, dass eine BF ähnliche Schlacke bei reduktionsinduzierter Gasbildung nicht schäumbar ist. Im Gegensatz dazu zeigt sich bei einer EAF typischen Schlacke eine hervorragende Schaumbildung.