Reduzierung der CO2-Emissionen durch faserverbundkeramische Beschichtungen
Björn Kintscher, Mathias Kunz
Die Reduzierung der CO2-Emissionen ist ein klares Ziel aller Industriezweige, auch der Stahlindustrie. Effizientere Produktionswege, wie das CSP®-Verfahren (Compact Strip Production) – die Kombination aus Gieß- und Walzprozess – sind ein großer Schritt, um Energie und damit Emissionen einzusparen. Doch auch hier gibt es Potenzial, noch effizienter zu werden. Eine Schutzbeschichtung für das Isolationsmaterial der Tunnelofenrollen aus Faserverbundkeramik (OCMC) hilft, den Energieverbrauch unter den rauen Bedingungen im CSP®-Tunnelofen zu senken.
Der Eisen- und Stahlsektor verursacht etwa 7-9 % der gesamten weltweiten CO2-Emissionen und gehört damit zu den Branchen, die am meisten dazu beitragen [1]. Während die Gesamtemissionen auf einem hohen Niveau liegen, gibt es bereits Lösungen, um diese zu senken. Es gibt Lösungen im großen Maßstab, wie z. B. die Ersetzung bestehender Stahlherstellungsprozesse durch wasserstoffbasierte Direktreduktionsprozesse. Aber auch in kleinerem Maßstab gibt es wichtige Bereiche, in denen der Verbrauch fossiler Brennstoffe und damit die CO2-Emissionen erheblich gesenkt werden können. Der Bereich, der in diesem Beitrag behandelt wird, ist der Heizprozess innerhalb einer kombinierten Gieß- und Walzanlage.
Die konventionelle Herstellung von Stahlbändern erfolgt in einem getrennten Gieß- und Walzverfahren. Der geschmolzene flüssige Stahl wird mit einer Stranggussanlage zu Brammen gegossen, die in einem Brammenlager gelagert werden. Die kalte Bramme wird vor dem Warmwalzen in einem Hubbalkenofen auf 1250 °C erwärmt. Die Warmbreitbandstraße walzt die warme Bramme zu einem Band, das zu einem warmgewalzten Coil aufgewickelt wird.
Bild 1: Temperaturprofil der konventionellen Prozessroute gegenüber der CSP®-Prozessroute
Bild 2: Tunnelofen einer CSP®-Anlage
Bild 3a: Herkömmliche Ofenrolle mit feuerfester Betonisolierung
Bild 3b: Ofenrolle mit Faserisolierung
Die CSP®-Anlagen von SMS haben einen klaren Vorteil in Bezug auf die Energieeffizienz. Hier sind der Gieß- und der Walzprozess in einer Anlage kombiniert. Eine dünne Bramme - typischerweise 50 bis 120 mm dick - wird gegossen und direkt zum Warmwalzwerk für den Walzprozess transportiert. Die Wärme des Schmelzprozesses wird genutzt, so dass das energieintensive Wiederaufheizen der Bramme von 20 °C auf 1250 °C entfällt. Dieser Unterschied macht diesen Anlagentyp so effizient. Bild 1 zeigt den Vergleich der Anlagenkonzepte im Hinblick auf das typische Temperaturprofil entlang der Anlage.
Der Tunnelofen einer CSP®-Anlage spielt eine Schlüsselrolle innerhalb des CSP®-Prozesses und hat vier Hauptaufgaben: Transport der Dünnbramme von der Gießmaschine zum Walzwerk, Pufferung der Brammen beim Wechsel der Arbeitswalzen im Walzwerk, Aufheizen auf das gewünschte Temperaturniveau, falls erforderlich, und Homogenisierung der Brammentemperatur. Die Temperatur der Ofenatmosphäre liegt normalerweise zwischen 1150 °C und 1200 °C.
Der Tunnelofen ist in der Regel eine lange, schmale, isolierte Kammer, die mit Erdgasbrennern in den Seitenwänden beheizt wird (Bild 2). Alternativ kann der Ofen auch mit elektrischen Heizelementen ausgestattet werden, um die Emissionen auf Null zu reduzieren. Ein solcher elektrischer Tunnelofen wird als Teil einer CSP® Nexus-Anlage für H2 Green Steel [2] realisiert. Die in Nord-Schweden geplante Anlage für H2 Green Steel wird die erste emissionsfreie Großproduktionsanlage der Welt sein. Es wird erwartet, dass hier ab 2025 grüner Stahl produziert wird und ab 2026 die Produktion auf die volle Kapazität hochfährt.
Die allgemeine Forderung der Stahlindustrie nach einer Verringerung des CO2-Ausstoßes und einer Steigerung der Effizienz wird zum wichtigsten Antriebsfaktor für die Entwicklung und Verbesserung der Anlagentechnik. Ein Beispiel für eine solche Verbesserung sind die Ofenrollen, die die Aufgabe haben, die Bramme im Tunnelofen zu stützen und zu transportieren.
Diese wassergekühlten Rollen bestehen aus einer rohrförmigen Kohlenstoffstahl-Welle, hitzebeständigen hochlegierten Laufrädern und einer isolierenden Feuerfestauskleidung zwischen den Laufrädern. Durch die notwendige Wasserkühlung werden nicht nur die Rollen gekühlt, sondern es wird auch Energie aus dem Ofenraum in das Kühlwasser transportiert. Somit spielt die Isolierung der Rollen gegen den Ofenraum eine große Rolle für die Effizienz des gesamten Ofens. In der Regel wird eine Betonauskleidung als feuerfestes Material für die Rollen verwendet, um den rauen Bedingungen im Inneren des Tunnelofens standzuhalten. Die durchschnittliche Lebensdauer einer solchen Rolle beträgt etwa drei Jahre. Als energiesparendere Alternative können die Rollen mit einer Faserisolierung ausgestattet werden. Beide Arten von Isoliermaterial sind in Bild 3a und Bild 3b dargestellt.
Die Verwendung einer Faserisolierung führt zu einer Nettoenergieeinsparung von mehr als 30 % im Vergleich zu einer herkömmlichen Betonisolierung (Bild 4).
Die Realität zeigt jedoch, dass die ungeschützte Faserisolierung einen gewissen Einfluss auf die Lebensdauer der Rolle hat. Es ist unvermeidlich, dass das Eisen der Bramme mit dem überschüssigen Sauerstoff in der Tunnelofenatmosphäre reagiert und Eisenoxid bildet, das auch als Zunder bekannt ist. Zunderteile zerstören mechanisch das weiche Isolationsmaterial, was dazu führt, dass nach einer Lebensdauer von 12 bis 18 Monaten der energetische Vorteil gegenüber Rollen mit Betonauskleidung nicht mehr gegeben ist.
Um das weiche Faserisoliermaterial der Ofenrolle zu schützen, wurden deshalb in einer nordamerikanischen CSP®-Anlage Langzeitversuche mit einer schützenden, faserverbundkeramischen Ummantelung durchgeführt.
Bild 4: Wärmeentzug einer betonisolierten Rolle gegenüber einer faserisolierten Rolle
Bild 5: Ungeschützte Faserisolierung nach 12 Monaten Zundereinwirkung
Bild 6: provisorische In-situ-Applikation von OCMC-Prepregs
Die in den Versuchen verwendete Ummantelung basiert auf einer Weiterentwicklung der Oxid-Faserverbundkeramik WHIPOX® durch die WPX Faserkeramik GmbH. Oxid-Faserverbundkeramiken (Oxide Ceramic Matrix Composites, OCMC) bilden eine innovative Werkstoffklasse, die ihre einzigartigen Vorteile im Vergleich zu monolithischen Keramiken sowie im Vergleich zu Hochtemperaturmetallen in so unterschiedlichen Anwendungen wie Luft- und Raumfahrt, industrieller Wärmebehandlung und Energieerzeugung unter Beweis gestellt hat [3]. OCMC bestehen aus oxidkeramischen Faserbündeln oder Geweben, die in eine oxidkeramische Matrix eingebettet sind [4]. Im Gegensatz zu monolithischen Keramiken sind sie äußerst stabil gegenüber mechanischen und thermomechanischen Schocks, was den Einsatz von OCMC in sehr rauen Umgebungen bei Temperaturen von bis zu 1.250 °C langfristig und 1.500 °C kurzfristig ermöglicht. Solche Schocks führen bei monolithischer Keramik zu Rissen und katastrophalem Versagen, was deren Einsatz in den oben genannten Anwendungen ausschließt. Im Gegensatz zu Hochtemperaturmetallen, z. B. Molybdän- oder Nickellegierungen, sind viele OCMCs unter thermomechanischer Belastung bei Temperaturen über 1.000 °C kriechfest [5]. Weitere Vorteile von OCMC sind ihre geringe thermische und elektrische Leitfähigkeit, ihr chemisch inertes Verhalten in oxidierenden Atmosphären und ihre Stabilität gegenüber korrosiven Flüssigkeiten und Atmosphären.
OCMCs, die aus Mullit- (Al2O3/SiO2) oder Aluminiumoxid- (Al2O3) Fasern bzw. Matrices bestehen, sind besonders für T>1000 °C geeignet.
Solche keramischen Fasern sind von mehreren Anbietern weltweit kommerziell erhältlich, und entsprechende proprietäre Matrices wurden sowohl von akademischen als auch von industriellen Spezialisten auf dem Gebiet der OCMC-Technologie wie der WPX Faserkeramik GmbH entwickelt.
Für einen wirksamen, langfristigen Schutz der thermischen Isolierung der wassergekühlten Transportwalzen bot sich die Verwendung einer solchen OCMC-Ummantelung auf Mullitbasis an, da sie a) mechanisch stabil gegen Zunderteile mit hoher Geschwindigkeit ist und somit die weiche thermische Isolierung vor einer solchen Zerstörung schützt (Bild 5), b) in einer chemisch aggressiven Hochtemperaturatmosphäre stabil ist, c) eine zusätzliche thermische Isolierung bietet und d) stabil gegen thermische Schocks aufgrund des schnellen Austauschs in Betriebssituationen ist, in denen komplette Transportwalzen aus dem Ofen genommen werden müssen und die OCMC-Oberfläche eines 1.200 °C heißen Walzensystems innerhalb von Minuten der Raumtemperatur ausgesetzt wird.
Eine große Herausforderung war, dass OCMC-Systeme auf Mullit- oder Aluminiumoxidbasis eine Sinterung bei ca. 1.200 °C am Ende des Herstellungsprozesses erfordern, wodurch auch alle anderen Komponenten des Systems dieser Sintertemperatur ausgesetzt würden. Hier wurde deshalb die Einbausituation mit 1200 °C für eine In-situ-Sinterung genutzt, indem die Walze mit einer zunächst ungesinterten OCMC-Ummantelung in den Tunnelofen eingesetzt wurde (Bild 6).
Bild 7: OCMC-Ummantelung einer Faserisolierung nach 18 Monaten Zundereinwirkung
Das Konzept der OCMC-Ummantelung wurde bei einem ersten Pilotversuch erfolgreich unter Beweis gestellt, da die beiden ausgewählten Rollen den Betriebsbedingungen im Ofen viel besser standhielten als ungeschützte Rollen und über zwei Jahre ohne größere Schäden überdauerten, wodurch die Degradation der Faserisolierung des Feuerfestmaterials erheblich verringert und der Kühlungsbedarf effektiv reduziert wurde. Die Prepregs nutzten jedoch nicht die Kosten- und Performance-Vorteile der WPX OCMC-Wickeltechnologie, bei der Endlosfaser-Rovings mit einer keramischen Matrix infiltriert und auf einen Kern gewickelt werden, wobei die hohe Zugfestigkeit der Keramikfaser zur Positionierung des OCMC auf dem Wickelkern genutzt wird.
Im zweiten Pilotversuch wurde dieser Vorteil genutzt, indem das grüne OCMC am WPX-Standort direkt auf die Abschnitte der Stahlwalze gewickelt wurde, an denen die Ummantelung die Faserisolierung der Feuerfestmasse schützen soll. Mit Hilfe einer patentierten, proprietären WPX-Mullit-Matrix wurde so ein OCMC-System geschaffen, das auch im grünen Zustand mechanisch robust für die Handhabung und den Überseetransport der Walzen zur CSP®-Anlage ist.
Vier solcher Walzen wurden dann unter Betriebsbedingungen in den heißen Tunnelofen der CSP®-Anlage eingesetzt. Sie haben sowohl den extremen Temperaturschock beim Einsetzen als auch den mittlerweile dreijährigen kontinuierlichen "Beschuss" mit Zunder“projektilen“ in einer korrosiven Umgebung bei einer Temperatur von 1200 °C überstanden, wobei angesichts des derzeitigen Zustands der Walzen mit mehreren weiteren Jahren intakter Leistung zu rechnen ist (Bild 7).
Die Versuche haben gezeigt, dass eine OCMC-Ummantelung der Feuerfest-Isolierung von wassergekühlten Stahlwalzen a) die Degradation der Feuerfest-Isolierung erheblich verzögern oder sogar stoppen kann, wodurch die Wärmeverluste im Wasserkühlsystem reduziert werden und somit der CO2-Fußabdruck des Tunnelofens verringert wird, b) die Wartungsintervalle zwischen dem Austausch von beschädigten Stahlwalzenisolierungen verlängert werden, c) die Lebensdauer der Stahlwalzen verlängert wird, indem die thermische Belastung und die metallurgische Degradation des Stahls verringert werden, und d) die Produkt- und Prozessqualität verbessert wird, indem der Betrieb des Tunnelofens ohne Einschränkungen aufgrund begrenzter Kühlkapazität ermöglicht wird.
Die Wirtschaftlichkeit und der verringerte CO2-Fußabdruck dieser Anwendung insbesondere für bestehende und künftige Stahlwerke in der Europäischen Union attraktiv, wo relativ hohe Energiekosten und zunehmende regulatorische Beschränkungen für die Stahlproduktion auf technische und politische Bemühungen zur Einführung von Green Steel treffen.
Literatur
[1] W. S. Association, "Climate change and the production of iron and steel," World Steel Association, Belgien, 2021.
[2] https://www.sms-group.com/en-de/press-and-media/press-releases/press-release-detail/sms-group-supplies-process-technology-for-the-worlds-first-large-scale-green-steel-production-plant
[3] Kunz, M., „Effizienz- und Qualitätsverbesserung in der Wärmebehandlung durch Werkstückträger aus Oxid-Faserkeramik“, in: Irretier, Jost, „Handbuch Härtereipraxis“, Vulkan Verlag 2017
[4[ Krenkel, W. (ed.), „Ceramic Matrix Composites, Fiber Reinforced Ceramics and their Applications”, Wiley VCH 2008.
[5[ Schmücker, M.; Mechnich, P, “All-Oxide Ceramic Matrix Composites with Porous Matrices”. In: Krenkel (ed.)
Autoren
Björn Kintscher, SMS group GmbH
