Lichtbogenofen

Lichtbogenofen in einem Stahlwerk (1980)

Lichtbogenofen in einem Stahlwerk (2005)

Der Lichtbogenofen (Elektrolichtbogenofen) ist ein Aggregat (Ofen) zum Einschmelzen von Stahlschrott zur erneuten Verwendung als Stahl-Neuprodukt. In Fachkreisen wird häufig vom EAF (englisch Electric Arc Furnace) gesprochen.

Stahl kann zum einen aus Eisenerz über die Route Hochofen und Konverter hergestellt werden. Energetisch günstiger ist es jedoch, ihn im Lichtbogenofen aus Stahlschrott zu erschmelzen. Die Erzeugung von Stahl in Lichtbogenöfen ist jedoch kostenintensiver als in der Hochofenroute. Mit Lichtbogenöfen können alle Stahlsorten hergestellt werden, sie werden aber auf Grund der hohen Kosten hauptsächlich zur Herstellung von Qualitäts- und Edelstählen benutzt. 2012 wurden weltweit 1542 Mio. Tonnen Rohstahl produziert, davon 29 % mit Lichtbogenöfen. Der Anteil in Europa betrug 42 %, der von Deutschland 30 % (Okt. 2016).

Produkte

Der Lichtbogenofen wird zur Herstellung von Baustählen, Qualitätsstählen und Rostfreistählen genutzt.

Die Bauform als Schmelz-Reduktionsofen (engl.: Submerged Arc Furnace, SAF) wird zum Erschmelzen von Legierungsbestandteilen, Ferrolegierungen oder so genannten Zuschlägen verwendet. Die Produkte aus Schmelz-Reduktionsöfen finden somit hauptsächlich im Hüttenwesen und damit in der Metallurgie Anwendung. Weniger gebräuchlich ist die Herstellung von Calciumcarbid, Hütten-Silicium und synthetischen Kristallen.

Funktion

Schnittdarstellung durch einen Lichtbogenofen, von oben die drei Elektroden für die Speisung mit Dreiphasenwechselstrom.

Beim Lichtbogenofenprozess wird elektrische und chemische Energie zum Aufschmelzen des Einsatzgutes eingesetzt. Dabei wird ein großer Teil der Gesamtenergie in thermische Energie (bis 3500 °C) umgesetzt, die zum Aufschmelzen des Einsatzgutes führt; ein weiterer Anteil führt zur Erwärmung der Ofenzustellung. Die Wärme über dem Lichtbogen, der zwischen der Elektrode und dem Einsatzgut brennt, wird hauptsächlich durch Strahlung auf das Einsatzgut übertragen. Beim Wechselstrom-Lichtbogenofen brennen mehrere Lichtbögen zwischen dem Einsatzgut (bzw. der Schmelze) und der Elektrodenspitze der drei Elektroden. Beim Gleichstrom-Lichtbogen wird der Lichtbogen von vier Bodenelektroden (+) durch das Einsatzgut zu einer Elektrode (-) übertragen.

Beim Elektrostahlverfahren kann neben Stahlschrott auch Eisenschwamm oder Roheisen mit verarbeitet werden. Neben dem flüssigen Rohstahl bildet sich aus den nichtmetallischen Einsatzstoffen (gebrannter Kalk / Magnesiumoxid) und Oxiden der Legierungsstoffe eine Schlackenschicht auf der Schmelze. Diese hat die Aufgabe, unerwünschte Bestandteile zu binden und das Stahlbad vor weiteren Oxidationen und Wärmeverlusten zu schützen sowie den Ofen vor Überhitzung zu schützen. Kurz vor dem Abstich wird die Schlacke aus dem Ofen in einem Schlackenkübel abgelassen und wird dann von einem Spezialfahrzeug abtransportiert und beim Schlackenbeet entleert. Der Flüssigstahl wird in einer Stahlpfanne abgegossen, die auf einem ferngesteuerten Pfannenwagen steht und den Stahl zur Weiterverarbeitung in die Pfannenöfen transportiert.

Früher war es üblich, nach Einbringen der gewünschten Mengen an Legierungsbestandteilen in das Stahlbad, die Schmelze in eine Pfanne abzulassen und anschließend in der Gießanlage zu vergießen. Heute wird in den meisten Fällen der Elektro-Ofen als reines Einschmelzaggregat zur Erzeugung einer Basisschmelze mit niedrigen Kohlenstoff-, Schwefel- und Phosphor-Gehalten benutzt. Die endgültige Analyse wird erst nach dem Abstechen im Pfannenofen erstellt. Hierdurch ergibt sich eine höhere Analysengenauigkeit und zudem eine erhebliche Energieersparnis. Trotz hoher Energiekosten für Strom sowie für Erdgas und Sauerstoff (für Hilfsbrenner im Gefäß) ist dieses Verfahren sehr flexibel hinsichtlich der Menge der zu erzeugenden Stahlsorten und der verschiedenen Stahlqualitäten.

Noch glühende Elektroden im zur Seite geschwenkten Deckel

Entscheidend für die Produktion ist die Einschmelzzeit, die im Wesentlichen von der elektrischen Leistung des Ofentransformators sowie der Art und Beschaffenheit des Einsatzgutes abhängt. Typische Zykluszeiten (die Zeit zwischen zwei Abstichen, Tap-to-Tap-Time) liegen zwischen 45 und 90 Minuten. Die reine Schmelzzeit mit Lichtbogeneinsatz (Power-On-Time) liegt bei etwa 30 bis 70 Minuten. Die Differenz der beiden Zeiten enthält die Summe der Auszeiten (Power-Off-Time), bei denen der Lichtbogen abgeschaltet ist. Darin enthalten sind z.B. Chargierung, Probenahme oder Wartungsarbeiten. Um diese Zeiten unter Vorgabe der Ofenkapazität und des Einsatzgutes zu erreichen, muss der Ofentransformator so dimensioniert werden, dass eine spezifische elektrische Leistung im Bereich von etwa 0,5 bis 1,4 MVA/t erreicht wird.

Der unmittelbar neben dem Ofen befindliche Ofentransformator ist ein spezieller Leistungstransformator, üblicherweise ölgekühlt und zum Schutz in einer eigenen Umhüllung untergebracht. Die mit Dreiphasenwechselstrom betriebenen Anlagen erreichen Leistungen von einigen 10 MVA bis über 100 MVA und verfügen über Stufenschalter für Leistungstransformatoren zur Einstellung der Unterspannung, welche dem Ofen über die Elektrodenanschlüsse zugeführt wird. Die Anspeisung erfolgt meist zweistufig: Ein Leistungstransformator welcher aus dem Hochspannungsnetz wie der 110-kV-Ebene auf eine Zwischenspannung von rund 30 kV transformiert und sich üblicherweise mit der elektrischen Hochspannungsschaltanlage außerhalb der Produktionshalle befindet. Der unmittelbar neben dem Ofen befindliche Ofentransformator transformiert die Zwischenspannung auf Spannungen von einigen 100 V bis zu einigen kV, welche bei Wechselspannungsöfen den Elektroden direkt zugeführt wird. Die Ströme auf der Elektrodenseite betragen bei Betrieb einige 10 kA, bei großen Öfen rund 100 kA, weshalb die Anschlussschienen zu den Elektroden möglichst kurz gehalten werden müssen und als Hohlleiter ausgeführt sind. Im Innenbereich der Hohlleiter zirkuliert zur Kühlung Wasser.

Bauformen

Lichtbogenofen beim Abstich. Rechts dahinter im quaderförmigen Block befindet sich der Ofentransformator

Lichtbogenofen bei der DASA in Dortmund

Der Lichtbogenofen kann als Gleichstromofen (bestehend aus einer Schmelzelektrode und einer Bodenelektrode) oder als Wechselstromofen (bestehend aus drei Schmelzelektroden) ausgeführt werden. Die Lichtbogenlänge wird mittels eines Elektrodenreglers geregelt. An die Stromversorgung der Öfen werden hohe Anforderungen gestellt, die aus dem ungleichmäßigen Brennen des Lichtbogens herrühren; es besteht die Gefahr von unerwünschten Netzrückwirkungen.

Das Ofengefäß selbst besteht aus drei Teilen (Bodengefäß, Obergefäß, Deckel) und kann hydraulisch gekippt werden. Die Stahlkonstruktionen sind auf der Außenseite in der Regel wassergekühlt und auf der Innenseite mit feuerfestem Werkstoff ausgekleidet. Das Fassungsvermögen (die Ofenkapazität) wird in Tonnen angegeben und bezieht sich in der Regel auf die Flüssigstahlmenge, d.h. das Abstichgewicht. Die Bandbreite der Baugrößen erstreckt sich von etwa 1 t (kleinere Gießereien) bis zu 300 t (große Stahlwerke).

Das Bodengefäß, welches die gesamte Flüssigstahlmenge aufnehmen muss, ist innen mit ziegelförmigem Feuerfestmaterial ausgemauert. Es enthält zudem die Abstichöffnung, durch die der Flüssigstahl in die Pfanne gegossen wird. Diese Öffnung ist entweder als verlängerte 'Schnauze' mit Auslaufrinne oder als exzentrische Bodenöffnung ausgeführt. Letzteres hat den Vorteil, dass der Ofen während des Abstichs nicht so stark gekippt werden muss. Auch ein Mitlaufen der im Ofen verbliebenen Schlacke in die Pfanne wird mit einem exzentrischen Abstich verhindert, dies ist insbesondere bei der weiteren Behandlung der Schmelze in der Pfanne wünschenswert. In modernen Verfahrensprozessen verbleibt nach dem Abstich ein Rest an Flüssigstahl im Ofen (Hot Heel), damit im nachfolgenden Prozess bessere Lichtbogenzündbedingungen herrschen und das Bodengefäß vor der Lichtbogenstrahlung besser geschützt ist. In neueren Ausführungen werden auch Düsen installiert, die über einen porösen Bodenstein Sauerstoff als Reaktionsgas oder Spülgase wie Argon oder Stickstoff unter hohem Druck einblasen (Tuyeres).

Das Obergefäß muss zusätzlich zum Bodengefäß das feste Einsatzgut aufnehmen. Es ist auf der Innenseite ebenfalls ausgemauert oder auch mit wassergekühlten Kupfer-Kühlkörpern versehen, deren Oberfläche durch feuerfeste Spritzmasse und auch durch aufspritzende Prozessschlacke versiegelt sind. Im Obergefäß sind meist Hilfsbrenner (Erdgas/Sauerstoff) installiert. Gegenüber dem Abstichloch befindet sich im Obergefäß die Schlacketür. In älteren Prozessen wurde die Schlacke über die Abstichschnauze in einen separaten Schlackekübel gegossen. Mittlerweile wird die entstehende Prozessschlacke über diese Schlacketür durch entgegengesetztes Kippen des Ofens in eine separate Ebene oder Mulde abgelassen, von der sie entfernt und abtransportiert wird. Die verschließbare Tür dient auch weiteren Zwecken, z.B. der Flüssigstahl-Probenahme, der Temperaturmessung, der manuellen Zugabe von Zusatzstoffen, der Sichtkontrolle und auch der zusätzlichen Prozessbehandlung mittels externen, einschwenkbaren Sauerstofflanzen, die häufig mit Kohlenstofflanzen kombiniert werden.

Der schwenkbare Deckel ist ebenfalls auf der Innenseite mit Feuerfestmaterial ausgekleidet. Bei aufgeschwenktem Deckel werden Schrott, Eisenschwamm, Flüssigroheisen und Zusatzstoffe (z. B. Legierungsmittel wie Chrom etc.) in den Ofen chargiert. Bei Schrott und anderen festen Zusatzstoffen werden hierfür Körbe mit einer Bodenklappe verwendet. Die Chargierung von Flüssigroheisen erfolgt über kippbare Feuerfest-Pfannen. Bei geschlossenem Deckel werden die Graphitelektroden über Öffnungen in das Ofengefäß gefahren. Bei einigen Ausführungen kann feineres Stückgut, wie z.B. Eisenschwamm, über eine zusätzliche Deckelöffnung und einem Transportbandsystem kontinuierlich nachgeführt werden.

In modernen Verfahrensprozessen wird je nach Energieverfügbarkeit und -kosten die elektrische Energie durch chemische Energie (Sauerstoff, auch in Verbindung mit Kohlenstoff oder Erdgas) ersetzt. Eine besondere Bauform ist der CONARC-Ofen (CON=Converter, ARC=Arcing) der SMS Siemag AG, bei dem beide Energien effizient genutzt werden. Der Ofen besteht aus zwei Gefäßen und vereint die Vorteile des Lichtbogenofens und des klassischen Konverter-Blasprozesses. Während die Charge in einem Gefäß über schwenkbare Graphitelektroden elektrisch behandelt wird, kann die Charge im anderen Gefäß über eine ebenfalls schwenkbare Top-Lanze mittels Sauerstoffeinblasung entkohlt werden.

Emissionen

Der Lichtbogenofenprozess emittiert gas- und staubhaltige Stoffe. Erforderlich sind daher wirkungsvolle Absauganlagen und Filter. Hinzu kommen Schallemission und elektromagnetische Strahlung (Lichtbogenstrahlung sowie Radiowellen durch die Lichtbogenzündvorgänge). Aufgrund der hohen elektrischen Elektrodenströme entstehen auch starke magnetische Wechselfelder. Gegenüber der Rohstahlerzeugung wird bei der Elektrolichtbogenroute ca. 55 % Energie eingespart.

Siehe auch

• Stahlerzeugung
• Schmelz-Reduktionsofen (SAF)

Literatur

• Manfred Jellinghausen: Stahlerzeugung im Lichtbogenofen. Verlag Stahleisen, Düsseldorf, ISBN 3-514-00502-8.

Weblinks

•  Commons: Lichtbogenöfen – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien
• Wiktionary: Lichtbogenofen – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen
• Beispiele für Lichtbogenöfen
• Prozessmodelle für Lichtbogenöfen (EAF) demonstrieren die Funktionsweise (in english)