Der entscheidende Faktor für einen reibungslosen EAF-Prozess ist die Rohmaterialqualität. Ihr Schrottbehälter ist Ihr günstigstes Rohmaterial – und oft auch Ihr problematischstes. Stimmt die Beschickung, läuft die Schmelze wie am Schnürchen; stimmt sie nicht, kämpfen Sie mit Phosphorspitzen, übermäßigen Anlaufzeiten und Legierungsverlusten. Dieser Leitfaden erklärt, was in einen EAF gehört, worauf Sie achten sollten und wie erfahrene Bediener die Variablen steuern.
Stahlschrott: Das Herzstück des Prozesses
Warum Schrottqualitätskontrollen alles
In den meisten Elektrolichtbogenöfen besteht die Metallbeschickung zu 60 bis 100 Prozent aus Schrott. Das bedeutet, dass die chemische Zusammensetzung, die Dichte und der Reinheitsgrad Ihres Schrotts den Schmelzprozess direkt beeinflussen. Ein gut sortierter Eimer mit Schrott bekannter Qualität schmilzt schneller, benötigt weniger chemische Zusätze und liefert saubereren Stahl. Ein Eimer mit Schrott unbekannter Qualität? Das ist ein Risiko, das Sie mit Zeitaufwand und zusätzlichen Zusätzen bezahlen.
Der Punkt ist nicht nur theoretischer Natur. Die Schrottqualität beeinflusst:
- Wie schnell Sie schmelzen (Dichte und Größe spielen eine enorme Rolle)
- Wie viel Phosphor und Schwefel Sie in der Oxidationsphase bekämpfen.
- Ob Restelemente (Cu, Sn, Cr, Ni) die Spezifikationen überschreiten
- Wie viel Wasserstoff Sie aufnehmen (rostiger, öliger Schrott ist ein echtes Problem)
- Wie sicher man laden kann (versiegelte Behälter sind tödlich)
Sortierung von Altpapier: Gekaufte Ware vs. Retouren aus dem Haushalt
In der Praxis lassen sich Abfälle in zwei große Kategorien einteilen, und die Handhabung ist sehr unterschiedlich.
Gekaufter Schrott stammt von überall dort, wo der Schrotthändler ihn gefunden hat – Abrissbaustellen, Altfahrzeuge, Maschinenverwerter. Die Zusammensetzung ist variabel, und Sie kennen sie möglicherweise nicht genau. Innerhalb des gekauften Schrotts sind einige Unterkategorien relevant:
- Schwerer Schrott: Bleche, Knüppel, Profilblöcke mit einer Dicke von mehr als 6 mm. Dicht, schmilzt langsam, aber hohe Ausbeute. Gut geeignet für den Boden des Eimers.
- Mittelgroßer Schrott: 3–6 mm Dicke. Profilstahl, Rohre, Maschinenteile. Das ist Ihr wichtigstes Füllmaterial.
Leichte Schrottteile: Dünnes Blech, Weißblech, Draht. Geringe Dichte, hohes Volumen. Pressen Sie es zu Ballen, bevor es in den Eimer kommt, sonst werden Sie den ganzen Tag damit beschäftigt sein.
Zerkleinerter Schrott: Autokarosserien und ähnliches, durch einen Schredder verarbeitet. Gleichmäßige Korngröße, mittlere Schüttdichte, relativ sauber. Viele Betriebe schätzen ihn wegen seines gleichmäßigen Schmelzverhaltens.
Eigenrückstände (auch interner Schrott genannt) sind die Reststücke, Ausschusswaren und Walzabfälle, die in Ihrem eigenen Stahlwerk anfallen. Die chemische Zusammensetzung ist bekannt, da Sie den Stahl selbst hergestellt haben. Es handelt sich um hochwertigen Rohstoff – insbesondere für Legierungen, bei denen Sie teure Elemente wie Nickel, Molybdän oder Chrom zurückgewinnen möchten. Sortieren Sie die Rückstände nach Güteklasse, lagern Sie sie separat und verwenden Sie sie sinnvoll. Ein Eimer mit 304-Edelstahlrückständen, der in eine 304-Schmelze gegeben wird, ist im Grunde vorlegierter Schrott. Das spart bares Geld.
Wie sieht Schrott aus?
Erfahrene Schrotthändler entwickeln ein Gespür dafür, aber hier sind die unverhandelbaren Kriterien:
Saubere Oberfläche, minimaler Rost. Rost bedeutet Feuchtigkeit, und Feuchtigkeit bedeutet Wasserstoffaufnahme. Schlimmer noch: Eingeschlossenes Wasser, das im Schmelzbad verdampft, kann heftige Eruptionen verursachen – eine echte Gefahr. Ölhaltiger Schrott ist nicht besser; er verbrennt als Rauch und verstopft den Filter. Die besten Betriebe verfügen über einen wettergeschützten Schrottplatz. Wer Schrott kauft, der im Regen gelegen hat, riskiert Probleme.
Keine Nichteisenmetalle. Kupfer und Zinn sind die größten Feinde. Sie werden im Ofen nicht hydratisiert – was hineinkommt, bleibt drin. Kupferanteile über etwa 0,3 % führen beim Walzen zu Warmbruchproblemen. Zinn verschlimmert dies. Aluminium, Blei, Zink – keines dieser Metalle gehört in Ihren Behälter. Gute Schrotthändler betreiben Trennsysteme, aber als Walzwerk benötigen Sie Ihre eigene Wareneingangskontrolle. Funkenprüfung und Spektrometrie sind unerlässlich; sie gehören zur grundlegenden Qualitätskontrolle.
Absolut keine verschlossenen Behälter. Dies ist eine Sicherheitsvorschrift, keine Qualitätsvorschrift, aber sie muss hier erwähnt werden, da die Folgen gravierend sind. Ein verschlossenes Rohr oder eine Gasflasche erhitzt sich, der Druck steigt, und es kann im Ofen zu einer Explosion kommen. Menschen sind dadurch bereits ums Leben gekommen. Jeder Schrotthändler, der eine Elektroofenanlage beliefert, muss ein strenges Inspektions- und Sortierverfahren durchlaufen. Ausnahmslos.
Die chemische Zusammensetzung ist bekannt. Bei gekauftem Schrott ist dies der schwierigste Teil. Man kann den Kohlenstoff- und Legierungsgehalt grob mittels Funkenerosion bestimmen. Man kann eine Probe spektrometrisch analysieren. Bei gemischten Ladungen arbeitet man jedoch oft mit unvollständigen Daten. Sortieren Sie nach Möglichkeit nach Güteklasse. Alles andere sollte getrennt aufbewahrt werden, bis die genaue Zusammensetzung feststeht.
Angemessene Größe und Schüttdichte sind wichtig. Zu langes Material passt nicht durch die Ofentür und kann im Behälter oder im Ofen Brücken bilden – ein Materialbogen entsteht, der nicht schmilzt. Grundsätzlich sollte der Durchmesser des Materialstücks etwa ein Drittel bis die Hälfte des Ofenöffnungsdurchmessers überschreiten. Auch die Schüttdichte spielt eine Rolle: Ist das Material zu gering, benötigt man drei Behälter für einen Schmelzvorgang; ist es zu dicht, kann der Lichtbogen nicht durchdringen, und ungeschmolzenes Material bleibt am Boden zurück. Der optimale Bereich liegt bei etwa 0,6 bis 1,5 t/m³.
Schwefel- und Phosphorkontrolle. Normaler Schrott sollte idealerweise unter 0,05 % S und 0,05 % P liegen. Schrott mit hohem Phosphorgehalt ist zwar nicht unbedingt ungeeignet, verlängert aber die Oxidationszeit und führt zu einem höheren Verbrauch an Schlackenmaterial. Informieren Sie sich über die Qualität des Schrotts.
Legierungswerkstoffe: Die richtige Chemie finden
Was diese tatsächlich bewirken
Legierungsmaterialien verändern die chemische Zusammensetzung Ihres flüssigen Stahls, sodass das Endprodukt den Spezifikationen entspricht. Einige dienen primär als Desoxidationsmittel und fügen gleichzeitig Legierungsbestandteile hinzu (Silizium, Mangan). Andere sind reine Legierungszusätze (Nickel, Molybdän, Chrom). Die Kunst besteht darin, sie zum richtigen Zeitpunkt und im richtigen Verhältnis hinzuzufügen, um das gewünschte Ergebnis zu erzielen, ohne teure Elemente zu verschwenden.
Die gängigen Ferrolegierungen
Wer schon einmal Zeit in einem Ferrolegierungslager verbracht hat, weiß, dass die Lagerliste lang ist. Hier sind die Legierungen, die Sie tatsächlich in jedem Schmelzprozess verwenden werden:
Ferrosilicium (FeSi). Die Sorte mit 75 % Si ist am weitesten verbreitet. Sie desoxidiert und fügt Silizium hinzu. Die Korngröße ist entscheidend: Ist sie zu groß, löst sie sich vor dem Abklopfen nicht auf; ist sie zu fein, geht sie im Staubabscheider verloren. Typischerweise liegt die Korngröße zwischen 10 und 50 mm.
Ferromangan (FeMn) ist in drei Kohlenstoffqualitäten erhältlich: hochkohlenstoffhaltig (2–8 % C), mittelkohlenstoffhaltig (0,7–2 % C) und niedrigkohlenstoffhaltig (≤0,7 % C). Die Wahl hängt davon ab, welchen Kohlenstoffgehalt Sie beim Hinzufügen tolerieren können. Wenn Sie einen Brennvorgang mit niedrigem Kohlenstoffgehalt abschließen, ist hochkohlenstoffhaltiges FeMn ungeeignet.
Ferrochrom (FeCr). Unverzichtbar für die Wärmebehandlung von Edelstahl und legiertem Stahl. Es sind Sorten mit hohem, mittlerem, niedrigem und extra-niedrigem Kohlenstoffgehalt erhältlich. Edelstahlbetriebe verbrauchen außerordentlich große Mengen an kohlenstoffarmem Ferrochrom. Es ist teuer – daher ist Vorsicht geboten.
Ferromolybdän (FeMo). Enthält etwa 55–65 % Molybdän. Wird in legierten Baustählen und Werkzeugstählen verwendet. Molybdän ist teuer; die Rückgewinnung ist daher wichtig. Es sollte erst nach fortgeschrittener Desoxidation zugegeben werden, da sonst zu viel durch Oxidation verloren geht.
Weitere Spezialferrolegierungen. Ferrowolfram für Schnellarbeitsstähle. Ferrovanadium für die Mikrolegierung (Festigkeit und Zähigkeit). Ferrotitan zur Desoxidation und Kornfeinung. Ferrobor für Spuren von Bor. Jede hat ihren Anwendungsbereich.
Reine Metalle
Manchmal reicht eine Ferrolegierung nicht aus. Man benötigt das reine Element:
Nickel: Elektrolytische Nickelplatten oder -pellets. Unverzichtbar für nickelhaltige Legierungen. Nicht oxidierbar, daher frühzeitig zuzugeben.
Aluminium: Ein starkes Desoxidationsmittel. Es wird als Draht, Granulat oder Barren zugegeben. Es wird erst spät hinzugefügt – Aluminium oxidiert leicht, und was zu früh zugegeben wird, geht verloren.
- Metallisches Mangan: Wird verwendet, wenn Mangan ohne den Kohlenstoff benötigt wird, der bei kohlenstoffreichem Ferromangan auftritt.
Wie man Legierungsmaterialien auswählt und handhabt
Einige Grundsätze, nach denen erfahrene Schmelzer leben:
Informieren Sie sich über Ihre Analyse. Jede Legierungscharge benötigt ein Werkszeugnis. Kann der Lieferant keins vorlegen, suchen Sie sich einen anderen.
- Die Größe sollte angemessen sein. Nichts sollte größer als etwa 100 mm sein. Es soll sich im Bad schnell und vollständig auflösen.
Trocken halten. Feuchtigkeit bedeutet Wasserstoff. Legierungen vor dem Schmelzen im Ofen oder der Gießpfanne aushärten lassen. Dies ist besonders wichtig für Feinlegierungen wie Ferrovanadium oder Aluminium.
Denken Sie an die Kosten. Wenn Sie die gleiche Desoxidation mit einer Silizium-Mangan-Legierung anstelle der separaten Zugabe von Ferrosilicium und Ferromangan erreichen können, tun Sie es. Es ist in der Regel günstiger und immer einfacher.
Schlackenbildende Materialien: Wie Sie die Schlacke für sich nutzen können
Warum Schlacke wichtiger ist, als Sie denken
Anfänger konzentrieren sich auf den flüssigen Stahl. Erfahrene Schmelzer konzentrieren sich auf die Schlacke. In der Schlacke findet die eigentliche Metallurgie statt – Phosphor und Schwefel treten durch die Schlacke aus, Einschlüsse werden absorbiert, der Lichtbogen wird abgeschirmt und die Auskleidung geschützt. Wenn man bei der Schlackebehandlung Fehler macht, läuft nichts mehr.
Kalk (CaO): Das Fundament
Kalk ist der wichtigste Schlackenbildner in einem Elektrolichtbogenofen. Man benötigt weichgebrannten (aktiven) Kalk – gebrannt bei 900–1100 °C, porös, mit großer Oberfläche und schnell löslich. Hartgebrannter Kalk (1200–1400 °C) ist dichter und reagiert langsamer. Er funktioniert zwar, erschwert aber die Arbeit.
Worauf Sie bei Limetten achten sollten:
Parameterziel
CaO-Gehalt ≥85 % (≥90 % bei Aktivkalk)
SiO₂ ≤3%
Schwefel ≤0,05%
Partikelgröße 10–50 mm
Unter- und Überbrennung Minimal
Wenn Ihr Kalklieferant Ihnen überbranntes Material liefert, sollten Sie das Gespräch suchen. Dies beeinträchtigt die Schlackenbildungszeit und die Effizienz Ihrer Entschwefelung.
Flussspat (CaF₂): Der Fluss
Flussspat senkt den Schmelzpunkt und die Viskosität der Schlacke. Er wird benötigt, um die frühe Schlackenbildung in der Schmelzphase zu fördern und die Reduktionsschlacke flüssig zu halten. Flussspat sollte jedoch sparsam eingesetzt werden – mehr als 15 bis 20 Prozent des Kalkgewichts greifen die Ofenauskleidung an und führen Fluor in die Staubabsaugung. Umweltauflagen in vielen Regionen beschränken mittlerweile die Fluoremissionen, weshalb dies zunehmend sowohl eine Frage der Einhaltung von Vorschriften als auch der Feuerfestmaterialien ist.
Dolomit (CaCO₃·MgCO₃): Ofenauskleidungsschutz
Kalzinierter Dolomit reichert Ihre Schlacke mit Magnesiumoxid (MgO) an. Warum ist das wichtig? Weil Ihre Ofenauskleidung auf Magnesiumoxidbasis besteht. Eine Schlacke mit niedrigem MgO-Gehalt löst die Auskleidung auf, um ihr eigenes Gleichgewicht zu erreichen. Eine Schlacke mit ausreichend MgO hingegen schont die Auskleidung. Ein einfaches Prinzip, das sich in der Lebensdauer der Feuerfestauskleidung auszahlt.
Andere Schlackenmaterialien
Kalkstein (CaCO₃) kann im Notfall Kalk ersetzen, zersetzt sich aber im Ofen endotherm und absorbiert dabei Wärme. Verwenden Sie ihn sparsam.
Ziegelstücke aus Ton werden gelegentlich zur Schlackenanpassung in Reduktionsperioden verwendet, wenn die Basizität gesenkt werden muss.
Bauxit (Al₂O₃) kann Schlacke stabilisieren und ihre Leistungsfähigkeit bei bestimmten hochlegierten Schmelzen verbessern.
Oxidationsmittel: Treiber der Reinigungsreaktionen
Sauerstoff: Das primäre Werkzeug
Sauerstoff wird mittels einer Lanze in das Bad eingeblasen. Dabei bewirkt er drei Dinge gleichzeitig: Entkohlung (wodurch CO₂ entsteht, das das Bad zum Sieden bringt), Oxidation von Phosphor zur Entfernung und Freisetzung von Wärme, die das Schmelzen des Schrotts unterstützt. Moderne Elektrolichtbogenöfen nutzen mehrere Sauerstoffeinspritzpunkte – Lanze, Wandinjektoren und sogar Rührwerk am Boden –, um einen gründlichen Badkontakt zu gewährleisten.
Sauerstoffdruck und -durchflussrate werden auf die jeweilige Aufheizphase abgestimmt. Ist der Druck zu hoch und zu früh, spritzt flüssiger Stahl aus dem Ofen. Ist er zu niedrig, verlängert sich die Oxidationsphase unnötig.
Eisenerz und Walzzunder
Eisenerz (Fe₂O₃) reichert den Erzprozess auf althergebrachte Weise mit Sauerstoff an – es zersetzt sich im heißen Bad und setzt dabei Sauerstoff frei. Die Sauerstoffzufuhr erfolgt zwar langsamer als mit einer Lanze, aber das Verfahren ist als zusätzliches Oxidationsmittel nützlich, insbesondere in der frühen Schmelzphase, wenn sich eine oxidierende Schlacke bildet.
Walzzunder (Fe₃O₄) ist die beim Walzen abgelöste Oxidschicht. Er ist preiswert, wirkt oxidierend und bildet Schlacke. Viele Betriebe betrachten ihn als kostenloses Nebenprodukt. Nutzen Sie ihn!
Sicherer und effektiver Umgang mit Oxidationsmitteln
Ein paar Regeln, die Kopfschmerzen vorbeugen:
- Geben Sie keine Oxidationsmittel hinzu, bevor sich ein Schmelzbad gebildet hat. Kaltes Oxidationsmittel auf festem Schrott wird einfach absorbiert und ist nutzlos.
- Geben Sie das Eisenerz portionsweise hinzu. Wenn man eine große Menge kaltes Material in ein heißes Bad schüttet, kann das zu einem starken Temperaturabfall führen.
- Kontrollieren Sie die Sauerstoffzufuhr. Kräftiges Sieden ist gut; aus dem Ofen spritzender, flüssiger Stahl hingegen nicht.
Desoxidationsmittel: Das Badezimmer reinigen
Das Stärkespektrum
Desoxidationsmittel gibt es in verschiedenen Stärken und Schwächen. Sie werden in einer festgelegten Reihenfolge angewendet:
Starke Desoxidationsmittel – Aluminium ist das wichtigste. Es besitzt eine enorme Affinität zu Sauerstoff und wird üblicherweise als letztes Desoxidationsmittel in einer Menge von 0,1 bis 0,3 % des Wärmegewichts zugesetzt. Aluminium-Mangan-Eisen-Verbundwerkstoffe vereinen die Festigkeit von Aluminium mit den Legierungseigenschaften von Mangan.
Mittelstarke Desoxidationsmittel – Ferrosilicium (75 % Si) ist das Standard-Fällungsdesoxidationsmittel. Ferromangan dient sowohl als Desoxidationsmittel als auch als Legierungszusatz. Die Silicium-Mangan-Legierung (SiMn) ist ein Verbundwerkstoff, der besser wirkt als die beiden Einzelzusätze – bessere Ausbeute, geringere Einschlussbildung.
Schwache Desoxidationsmittel – Kohlenstoff ist über die C–O-Reaktion das klassische Diffusionsdesoxidationsmittel für die Reduktionsphase. Mangan ist zwar schwach, trägt aber zur Formgebung der Desoxidationsprodukte bei, sodass diese leichter entfernt werden können.
Wie die Desoxidation in der Praxis funktioniert
Es gibt zwei grundlegende Mechanismen, und typischerweise werden Sie beide verwenden:
Bei der Fällungsdesoxidation wird das Desoxidationsmittel direkt in den flüssigen Stahl gegeben. Die Desoxidationsprodukte bilden sich und steigen ab. Das Verfahren ist schnell und unkompliziert, jedoch bleiben einige Produkte zwangsläufig zurück, bevor sie absteigen können.
Bei der Diffusionsdesoxidation wird das Desoxidationsmittel der Schlacke und nicht dem Stahl zugegeben. Durch die Reduzierung der Sauerstoffaktivität in der Schlacke wird eine Triebkraft für die Diffusion von Sauerstoff aus dem Stahl in die Schlacke geschaffen. Das Verfahren ist zwar langsamer, führt aber zu reinerem Stahl.
In der modernen Praxis werden die beiden Verfahren fast immer kombiniert: Zuerst erfolgt eine Fällungsdesoxidation zur schnellen Sauerstoffreduktion, dann eine Diffusionsdesoxidation unter einer gut gepflegten reduzierenden Schlacke, um das Bad so sauber wie möglich zu bekommen.
Rekarburierungsmittel: Wenn Sie mehr Kohlenstoff benötigen
Die gängigen Optionen
Manchmal enthält Ihr Bad zu wenig Kohlenstoff. Sie müssen Kohlenstoff hinzufügen und möchten eine gute Rückgewinnung erzielen. Ihre Möglichkeiten:
- Elektrodenabfälle: Graphit, hoher Kohlenstoffgehalt (≥ 95 %), niedriger Schwefelgehalt, hervorragende Rückgewinnung. Dies ist die Premium-Wahl.
Petrolkoks: Hoher Kohlenstoffgehalt, geringer Aschegehalt, gute Ausbeute. Achten Sie auf den Schwefelgehalt.
- Pechkoks: Guter Kohlenstoffgehalt, geringer Aschegehalt, gute Rückgewinnungsleistung.
- Roheisen: Fügt Kohlenstoff (3,5–4,5 %) sowie Silizium und andere Elemente hinzu. Ein indirekter, aber mitunter nützlicher Weg der Aufkohlung.
Die Rekarbonisierung zum Erfolg führen
Die Ausbeute liegt zwischen 80 und 95 Prozent, hängt aber von der Vorgehensweise ab. Geben Sie den Aufkohlungsmittel erst hinzu, wenn das Bad gut durchgerührt ist – er sollte sich schnell auflösen und gleichmäßig verteilen. Trocknen Sie ihn vorher. Geben Sie größere Mengen portionsweise hinzu; eine zu große Menge kann zu einer Überhitzung und einer Überkohlung führen, was ein sehr teurer Fehler ist.
Der Rest des Inventars
Ofenreparaturmaterialien
Nach jedem Brennvorgang (oder je nach Verschleiß alle paar Brennvorgänge) werden Boden und Wände ausgebessert. Magnesit (MgO) und Dolomit sind die Standardreparaturmaterialien. Teer oder Natriumsilikat dienen als Bindemittel. Das Heißspritzen – das Aufsprühen von feuerfestem Material auf die heißen Ofenwände – ist der moderne Standard für großflächige Reparaturen. Es ist schnell und nutzt die Restwärme, um das Reparaturmaterial vor Ort zu versintern.
Heißes Metall als Ladungskomponente
Dies verdient mehr Aufmerksamkeit, als ihm in vielen Lehrbüchern zuteilwird. Die Zugabe von 20 bis 40 Prozent heißem Metall zur EAF-Beladung ist ein echter Wendepunkt:
- Die fühlbare Wärme plus die chemische Wärme aus der Oxidation von Kohlenstoff und Silizium können den Stromverbrauch um 100–200 kWh pro Tonne senken.
- Die Zeit zwischen den einzelnen Klicks verkürzt sich um 10–20 Minuten.
- Das heiße Metall verdünnt Restelemente aus dem Schrott und sorgt so für eine sauberere Ausgangschemie.
Der Nachteil besteht darin, dass man eine Quelle für heißes Metall benötigt – entweder aus dem eigenen Hochofen oder aus einem nahegelegenen integrierten Walzwerk. Wo dies jedoch möglich ist, hat sich die Beschickung mit heißem Metall in modernen, hochproduktiven Elektrolichtbogenofenanlagen (EAF) als Standard etabliert.
Rohstoffmanagement wird wohl nie der glamouröseste Teil der Stahlproduktion sein. Doch wenn es gelingt, wird alles andere einfacher. Die Stahlwerke, die Schrottsortierung, Legierungsbestandsführung und Schlackenbehandlung als zentrale technische Disziplinen – und nicht nur als Einkaufsentscheidungen – betrachten, erreichen ihre Qualitäts-, Kosten- und Produktivitätsziele konstant.
