TY - THES

T1 - Untersuchung des Verhaltens von Phosphor, Schwefel und Kupfer während des Wasserstoffplasma-Schmelzreduktionsprozesses

AU - Adami, Bernhard

N1 - nicht gesperrt

PY - 2023

Y1 - 2023

N2 - Die globale Stahlherstellung leistet mit ca. 7% der gesamten CO2-Emissionen einen deutlichen Beitrag zum Klimawandel. Um seine Auswirkungen abzuschwächen, muss auch in diesem Industriezweig eine Verringerung des CO2-Ausstoßes erfolgen. Eine Alternative zu konventionellen Stahlerzeugungsverfahren stellt die Wasserstoffplasma-Schmelzreduktion dar. Anstelle von fossilen Energieträgern kommt dabei Wasserstoff im Plasmazustand als Reduktionsmittel zum Einsatz, welcher umweltfreundlich produziert werden kann. Um das Verhalten von Phosphor, Schwefel und Kupfer während dieses Verfahrens zu verstehen, erfolgte die Durchführung von Reduktionsversuchen mit unterschiedlichen Prozessparametern im Labormaßstab. Dabei reichten die Schlackenbasizitäten von B4 = 0,23 bis 2,0, die Tiegel bestanden aus Stahl sowie Graphit und der Wasserstoffgehalt im Plasmagas betrug entweder 20 vol.% oder 40 vol.%. Als Einsatzstoff fand ein mit Ferrophosphor und Kupfersulfat angereichertes ägyptisches Eisenerz Verwendung. Nach dem Reduktionsprozess erfolgte die Bestimmung der chemischen Zusammensetzung des erschmolzenen Metalls, der Schlacke sowie zweier Staubfraktionen. Die statistische Auswertung zeigt, dass mit zunehmendem Calciumoxidgehalt der Schlacke die Phosphorkonzentration im Metall aufgrund der vermehrten Bildung von Tricalciumphosphat absinkt. Stärker reduzierende Bedingungen führen zu ansteigender Phosphorverdampfung, da die thermische Stabilität des Tricalciumphosphats dies ansonsten vermindert. Höhere Wasserstoffgehalte im Plasmagas sowie zunehmende Schlackenbasizitäten führen zu besserer Entschwefelung des Metalls. Dieses Begleitelement verlässt die Schmelze während der Reduktionsphase sowohl als Schwefelwasserstoff als auch in Form von verdampften Sulfiden. Hierbei gilt es besonders die Bildung von Kupfersulfid zu erwähnen, welche nur aufgrund der starken thermodynamischen Ungleichgewichtsbedingungen in der Schmelze stattfindet. Damit lässt sich auch das Verhalten von Kupfer erklären. Mit zunehmender Schlackenbasizität sinken seine Anteile im Metall, stärker reduzierende Bedingungen besitzen den entgegengesetzten Einfluss.

AB - Die globale Stahlherstellung leistet mit ca. 7% der gesamten CO2-Emissionen einen deutlichen Beitrag zum Klimawandel. Um seine Auswirkungen abzuschwächen, muss auch in diesem Industriezweig eine Verringerung des CO2-Ausstoßes erfolgen. Eine Alternative zu konventionellen Stahlerzeugungsverfahren stellt die Wasserstoffplasma-Schmelzreduktion dar. Anstelle von fossilen Energieträgern kommt dabei Wasserstoff im Plasmazustand als Reduktionsmittel zum Einsatz, welcher umweltfreundlich produziert werden kann. Um das Verhalten von Phosphor, Schwefel und Kupfer während dieses Verfahrens zu verstehen, erfolgte die Durchführung von Reduktionsversuchen mit unterschiedlichen Prozessparametern im Labormaßstab. Dabei reichten die Schlackenbasizitäten von B4 = 0,23 bis 2,0, die Tiegel bestanden aus Stahl sowie Graphit und der Wasserstoffgehalt im Plasmagas betrug entweder 20 vol.% oder 40 vol.%. Als Einsatzstoff fand ein mit Ferrophosphor und Kupfersulfat angereichertes ägyptisches Eisenerz Verwendung. Nach dem Reduktionsprozess erfolgte die Bestimmung der chemischen Zusammensetzung des erschmolzenen Metalls, der Schlacke sowie zweier Staubfraktionen. Die statistische Auswertung zeigt, dass mit zunehmendem Calciumoxidgehalt der Schlacke die Phosphorkonzentration im Metall aufgrund der vermehrten Bildung von Tricalciumphosphat absinkt. Stärker reduzierende Bedingungen führen zu ansteigender Phosphorverdampfung, da die thermische Stabilität des Tricalciumphosphats dies ansonsten vermindert. Höhere Wasserstoffgehalte im Plasmagas sowie zunehmende Schlackenbasizitäten führen zu besserer Entschwefelung des Metalls. Dieses Begleitelement verlässt die Schmelze während der Reduktionsphase sowohl als Schwefelwasserstoff als auch in Form von verdampften Sulfiden. Hierbei gilt es besonders die Bildung von Kupfersulfid zu erwähnen, welche nur aufgrund der starken thermodynamischen Ungleichgewichtsbedingungen in der Schmelze stattfindet. Damit lässt sich auch das Verhalten von Kupfer erklären. Mit zunehmender Schlackenbasizität sinken seine Anteile im Metall, stärker reduzierende Bedingungen besitzen den entgegengesetzten Einfluss.

KW - Wasserstoff

KW - Plasma

KW - Stahlherstellung

KW - Phosphor

KW - Schwefel

KW - Kupfer

KW - hydrogen

KW - plasma

KW - iron making

KW - phosphorus

KW - sulfur

KW - copper

U2 - 10.34901/mul.pub.2023.149

DO - 10.34901/mul.pub.2023.149

M3 - Masterarbeit

ER -