Zirkuläre Eisen- und Stahlproduktion
Tätigkeitsbereiche
Eisen- und Stahlerzeugung, Elektrostahlprozess, Energie- und Massenbilanzen, Prozessmodellierung, Agglomerationstechnik
Forschungsaktivitäten
Kreislauforientierte Eisen- und Stahlproduktion
Eisen und Stahl bilden das Rückgrat der modernen Infrastruktur und sind zugleich eine der Schlüsselindustrien, die sich in Richtung Klimaneutralität transformieren. Die Forschungsgruppe Zirkuläre Eisen- und Stahlproduktion untersucht, wie Eisen und Stahl effizienter, emissionsärmer und innerhalb nachhaltiger Stoffkreisläufe produziert werden können.
Ein besonderer Fokus der Gruppe liegt auf dem Lichtbogenofen (LBO), der zentralen Technologie für die auf Recycling basierende Stahlproduktion und zugleich einer zunehmend wichtigen Plattform für die Integration wasserstoffbasierter Wege der Eisenherstellung. Unsere Forschung behandelt sowohl die Stahlerzeugung auf Schrottbasis als auch neu entstehende Direktreduktions- (DRI-) LBO-Pfade und kombiniert experimentelle Arbeiten, industrielle Messungen, Prozessmodellierung und moderne datengetriebene Methoden.
Das Team wird von Dr.-Ing. Thomas Echterhof und Carsten Gondorf, M.Sc. geleitet. Aktuell besteht es darüber hinaus aus sieben weiteren Promovierenden, die als wissenschaftliches Personal in Vollzeit tätig sind. Neben der Forschung trägt die Gruppe auch zur Lehre am Lehrstuhl bei, unter anderem mit Vorlesungen zur Stahlerzeugung im Lichtbogenofen, und betreut studentische Abschlussarbeiten.
Metallurgische Prozesse verstehen
Die Verbesserung metallurgischer Prozesse beginnt mit dem Verständnis, wie Energie und Materialien durch sie hindurchfließen. Ein zentraler Bestandteil unserer Arbeit ist daher die Entwicklung detaillierter Energie- und Massenbilanzen für industrielle Prozesse wie Lichtbogenöfen. Diese Analysen helfen dabei, Ineffizienzen zu identifizieren, Optimierungspotenziale aufzudecken und die Grundlage für eine verbesserte Prozessführung zu schaffen.
In industriellen Lichtbogenöfen können jedoch viele relevante Größen aufgrund extremer Temperaturen, Staubbelastungen und mechanischer Beanspruchungen nicht direkt gemessen werden. Dadurch sind wichtige Randbedingungen für Energie- und Massenbilanzen häufig unsicher. Um dieser Herausforderung zu begegnen, führt die Gruppe Betriebsmessungen an metallurgischen Anlagen durch, insbesondere durch die Installation und den Betrieb von Abgasanalysesystemen sowie ergänzende Temperatur- und Prozessmessungen. Diese Messungen liefern wertvolle Einblicke in Reaktionskinetik, Energieflüsse und die Entstehung von Emissionen im Ofen.
Von Messungen zu digitalen Prozessmodellen
Experimentelle Beobachtungen werden mit dynamischer Prozessmodellierung kombiniert, um ein tieferes Verständnis des LBO-Betriebs zu erreichen. Die Forschungsgruppe entwickelt und erweitert kontinuierlich ihre hauseigene Simulationsumgebung EAFProSim, die die komplexen Wechselwirkungen zwischen Schrottschmelzen, Schlackenbildung, Gasphasenreaktionen und Wärmeübertragung im Lichtbogenofen beschreibt.
Das Modell ermöglicht die Analyse bestehender Prozesse ebenso wie die Bewertung neuer Betriebsstrategien und Prozesspfade, einschließlich der Integration wasserstoffbasierter Energieträger oder wasserstoffreduzierten DRI. EAFProSim wird innerhalb von Forschungsprojekten entwickelt und auch von Industriepartnern eingesetzt, um den Anlagenbetrieb zu analysieren und Prozessoptimierungen zu unterstützen.
Da viele Prozessgrößen nicht direkt gemessen werden können, entwickelt die Gruppe außerdem Soft Sensoren, die physikalische Modelle mit Anlagendaten kombinieren, um andernfalls nicht zugängliche Größen wie Reaktionsraten, Gasbildung oder thermodynamische Zustände im Ofen abzuschätzen.
KI-gestützte Überwachung und Prozessverständnis
In den vergangenen Jahren sind Machine Learning und Computer Vision zu zusätzlichen Werkzeugen für die Verbesserung der Prozessüberwachung geworden. Harte metallurgische Umgebungen schränken den Einsatz konventioneller Sensoren oft ein. Bildbasierte Methoden ermöglichen es, Prozessinformationen aus sicherer Entfernung zu gewinnen, ohne Sensoren extremen Bedingungen auszusetzen.
Aktuelle Forschung verwendet Computer-Vision-Methoden für Aufgaben wie die Blasendetektion in Wassermodellen metallurgischer Reaktoren und die Bestimmung des Flüssigsumpfes in industriellen Lichtbogenöfen. In Kombination mit Prozessmodellen und Anlagendaten eröffnen diese Ansätze neue Möglichkeiten für eine fortgeschrittene Prozessüberwachung und Prozessregelung.
Stoffkreisläufe in der Eisen- und Stahlproduktion schließen
Ein zweiter wichtiger Schwerpunkt der Forschungsgruppe ist die Entwicklung kreislauforientierter Stoffströme in der Eisen- und Stahlproduktion. Metallurgische Prozesse erzeugen große Mengen an Nebenprodukten und Rückständen, von denen viele wertvolle Metalle enthalten, jedoch in ihrer ursprünglichen Form nur schwer recycelbar sind.
Die Forschungsgruppe entwickelt Agglomerationstechnologien, die solche Feinmaterialien, etwa Stäube, Schlämme oder Schlackeanteile, in stabile Recyclingprodukte überführen, die sich zur Wiederverwendung in metallurgischen Öfen eignen. Das Agglomerationslabor ist mit einem Intensivmischer, einer Pelletiertrommel und Stempelpressensystemen ausgestattet und ermöglicht die Herstellung und Untersuchung einer Vielzahl von Recyclingagglomeraten.
Besondere Aufmerksamkeit gilt selbstreduzierenden Agglomeraten, bei denen feine eisenhaltige Materialien mit Kohlenstoffträgern kombiniert werden, um eine effiziente Metallrückgewinnung zu ermöglichen. Gleichzeitig untersucht die Gruppe Strategien zur Substitution fossiler Kohlenstoffträger durch nachhaltigere Alternativen, einschließlich biogener Kohlenstoffquellen wie Biokohle sowie den Einsatz von Wasserstoff als Energieträger oder Reduktionsmittel.
Experimentelle Anlagen und industrielle Zusammenarbeit
Die experimentelle Forschung wird durch spezialisierte Pilotanlagen unterstützt. Am Forschungsstandort Herzogenrath betreibt die Gruppe einen 600-kW-AC-Pilotlichtbogenofen, der kontrollierte experimentelle Kampagnen unter realistischen metallurgischen Bedingungen ermöglicht. Die Anlage wird genutzt, um Prozessreaktionen zu untersuchen, Prozessmodelle zu validieren und innovative Konzepte wie alternative Kohlenstoffträger oder wasserstoffkompatible Brennersysteme zu testen.
Die Gruppe arbeitet eng mit Industriepartnern zusammen, darunter Stahlhersteller und Anlagenbauer. Die Zusammenarbeit findet sowohl in öffentlich geförderten Forschungsprojekten als auch im Rahmen direkter Auftragsforschung und technischer Dienstleistungen statt. Durch diese enge Verzahnung mit der Industrie können Forschungsergebnisse direkt in praktische Prozessverbesserungen überführt werden.
Durch die Kombination aus experimenteller Forschung, detaillierter Prozessmodellierung, moderner Messtechnik und zeitgemäßen datengetriebenen Methoden trägt die Forschungsgruppe zur Entwicklung einer ressourceneffizienteren, emissionsärmeren und kreislauforientierten Eisen- und Stahlindustrie bei.
Projekte
Laufende Projekte
- Optimierter Einsatz von Wälzrohrschlacke in Eisengießereien als alternativer Sekundärrohstoff — WäGieS (BMWE IGF)
- Nutzung von Biokohle als CO2-neutrales Reduktionsmittel zur Herstellung von Agglomeraten aus eisenhaltigen Reststoffen — BioKoRed (BMWE ZIM)
- Valorization of wet biomass residues for sustainable steel production with efficient nutrient recycling — BioReSteel (EU RFCS)
- Multi-Sensor Systems for an optimized EAF Process Control — MultiSensEAF (EU RFCS)
Abgeschlossene Projekte
- Developing and enabling H2 burner utilization to produce liquid steel in EAF — DevH2forEAF (EU RFCS)
- Wertstoffrückgewinnung aus metallhaltigen, staubförmigen Produktionsrückständen durch Faserabfall basierte Brikettierung – FaBrik (BMBF)
- Reduzierung von CO2 Emissionen durch den flexiblen und effizienten Einsatz verschiedener Energieträger am Lichtbogenofen – FlexLBO (BMBF)
- Retrofitting equipment for efficient use of variable feedstock in metal making processes – REVaMP (Horizon 2020)
- Steigerung der Ressourceneffizienz metallurgischer Prozesse durch Agglomeration von Schlacken, Stäuben und Schlämmen mittels Stempelpressen – ReMPA4S (AiF IGF)
- Entwicklung eines neuartigen, modularen Retrofit-Pakets für Elektrolichtbogenöfen bis 20 t (AiF ZIM)
- Cement-free brick production technology for the use of primary and secondary raw material fines in EAF steelmaking – Fines2EAF (EU RFCS)
- Entwicklung eines Referenzmodells für die Ökobilanzierung der Elektrostahlerzeugung zur Prozessoptimierung und CO2-Einsparung – EcoSteel (BMBF)
- On-line slag composition analysis for electric arc furnaces – OSCANEAF (EU RFCS)
- Biochar for a sustainable EAF steel production – GREENEAF2 (EU RFCS)
- Valorisation and dissemination of EAF technology – VALEAF (EU RFCS)
- Entwicklung eines Agglomeratsteins aus Gießpfannenschlacke und Biokohle zum Einsatz im Elektrolichtbogenofen bei der Stahlherstellung (AiF ZIM)
- MegaCarbon – Ressourceneffiziente und hochproduktive Herstellung von Carbonfasern für ein breites Anwendungsspektrum (Ziel 2 NRW EFRE)
- Entwicklung einer modular aufgebauten nachrüstbaren und energieeffizienten Gefäßtechnik für Elektrolichtbogenöfen (AiF ZIM)
- Sustainable EAF steel production – GreenEAF (EU RFCS)
- Erhöhung der Energie- und Ressourceneffizienz bei der Elektrostahl-Erzeugung durch ganzheitliche, qualitätsgeführte Produktionssteuerung – ENRECO2 (BMWi)
- Control of Nitrogen Oxide Emission at the Electric Arc Furnace – CONOX (EU RFCS)
- Improved EAF process Control using On-line Offgas Analysis – OFFGAS (EU RFCS)
- Grundlagenuntersuchungen zur Bildung von Stickoxiden im Lichtbogenofen (DFG)
- Development of operating conditions to improve chemical energy yield and performance of dedusting in airtight EAF (EU ECSC)