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Calciumcarbid zur Stahlentschwefelung: Wie kann eine Partikelgröße von 2-10 mm die Entschwefelungseffizienz verbessern?
2026-01-13
Die Bildung von Schlacke auf dem flüssigen Stahl während der Pfannenmetallurgie ist ein schöner Anblick und ein Zeichen für Fortschritt. Sie bedeutet, dass sich die synthetische Raffinationsschicht gebildet hat und die Stahlreinigung begonnen hat. Die dicke Schicht, die Verunreinigungen absorbiert und den Kontakt zwischen Stahl und Sauerstoff verhindert, wirkt jedoch auch als physikalische Barriere und hindert das Entschwefelungsmittel ( Calciumcarbid ) daran, den darunter liegenden flüssigen Stahl zu erreichen. Hier kommt die Partikelgröße des Calciumcarbids ins Spiel!
Die Entschwefelung von Stahl ist ein entscheidender sekundärer Raffinationsschritt. Sie gewährleistet die Bearbeitbarkeit des Stahls und minimiert Verunreinigungen. Die Zugabe von Calciumcarbonat (CaC₂ ) ist ein seit den 1970er Jahren bewährtes Verfahren. Zur Kontrolle der Partikelgröße wird jedoch weiterhin hauptsächlich Calciumcarbonat verwendet.
In diesem Artikel untersuchen wir, wie die Größe von Calciumcarbid (2–10 mm) den Entschwefelungsprozess beeinflusst. Wir analysieren außerdem dessen Effektivität, Sicherheit und Kosten. Am Ende wird der Leser eine klare Vorstellung von der idealen Partikelgröße für seinen Stahlentschwefelungsprozess haben. Beginnen wir mit den Grundlagen: Warum wird Stahl entschwefelt?
Hintergrundinformationen zu Schwefel in Stahl
Der Schwefel im Stahl stammt typischerweise aus den Rohstoffen wie Eisenerz, Stahlschrott oder Ferrolegierungen. Geschmolzenes Metall enthält Schwefel aus den genannten Quellen. Dieser muss entfernt werden, um die mechanischen Eigenschaften des Stahls zu erhalten. Typischerweise enthält das Hochofenprodukt …100-800 Der Schwefelgehalt muss je nach Prozessanforderungen auf 35-10 ppm reduziert werden.
Die Notwendigkeit der Entschwefelung
Hochwertiger Stahl mit niedrigem Schwefelgehalt wird auch als „reiner Stahl“ bezeichnet. Die Produkte aus Elektrolichtbogenöfen (EAF) und Sauerstoffblasverfahren (BOF) müssen einem sekundären metallurgischen Prozess unterzogen werden, um ihren Reinheitsgrad zu verbessern. Hier sind die wichtigsten Gründe für die Entschwefelung von Stahl:
● Warmversprödung: Das im Stahl enthaltene Eisen reagiert mit Schwefel zu Eisensulfid (FeS). Eisensulfid hat einen niedrigen Schmelzpunkt von 988 °C, was die Bearbeitbarkeit von Stahl, insbesondere beim Warmwalzen und Schmieden, beeinträchtigt. Das geschmolzene FeS schwächt den Stahl, macht ihn spröde und rissanfällig.
● Schlechte Schweißbarkeit: Beim Schweißen schmilzt das Metall aufgrund der intensiven Hitze. Der brauchbare Teil erstarrt und erzeugt innere Zugspannungen. Bleibt FeS eine Zeit lang flüssig, werden die Spannungen unerträglich, was zu Erstarrungsrissen oder Heißrissen führt.
● Korrosionsbeständigkeit: Durch die Verringerung der Korrosionsbeständigkeit des Stahls durch Schwefel können sich kleine, tiefe Löcher an der Oberfläche bilden.
●SO 2. Emissionen: Die Entfernung von Schwefel trägt dazu bei, die Schwefeldioxidemissionen im zulässigen Bereich zu halten. Sie ist entscheidend für die Einhaltung der strengen Luftreinhaltebestimmungen, die typischerweise einen Grenzwert von 20 mg/ m³ vorschreiben.
● Recycling-Nebenprodukt: Die Zugabe von CaC 2 führt zur Bildung von Carbid-Schlacke, die recycelbar ist und somit die Nachhaltigkeit gewährleistet (Qi et al., 2022).
Wissenschaft hinter der Entschwefelung von Calciumcarbid
Bevor wir uns mit dem Einfluss der Calciumcarbid-Partikelgröße ( CaC₂ ) auf die Entschwefelung befassen, wollen wir zunächst den Prozessablauf verstehen. Die Auswirkungen der Calciumcarbid-Partikelgröße und deren Beitrag zur Optimierung dieser Mechanismen werden wir in einem späteren Abschnitt behandeln.
Reaktionsmechanismus
Die Kernreaktion, die zur Bildung des Schmelzpfropfens auf der Oberfläche des flüssigen Stahls führt, ist:
CaC₂ + S → CaS + 2C
Das Calciumcarbid reagiert mit Schwefel zu Calciumsulfid, wobei Kohlenstoff in den Stahl freigesetzt wird. Da das CaS unlöslich ist, schwimmt es an die Oberfläche des flüssigen Stahls und kann nach einer gewissen Zeit leicht entfernt werden.
Einfluss der Prozessparameter
Reagenzqualität
● Reinheit des Reagenz: Ganz einfach. Reines CaC₂ führt zu einer stärkeren Reaktion. Ein Calciumcarbid mit einem Reinheitsgrad von >63–68 % und niedrigen Gehalten an Si (<2 %) und P (<0,02 %) gewährleisten eine maximale Reaktion und geringe Verunreinigung.
● Reagenzflussrate: Die kontrollierte Zugabe von Reagenz ist notwendig, um hohe Abbaugrade zu erzielen. 200–300 g/min gelten als optimal.
Chemische Faktoren
● Desoxidationszustand: Um zu verhindern, dass CaC 2 durch Sauerstoff verbraucht wird, sollte der flüssige Stahl in einem sauerstoffarmen Zustand gehalten werden.
● Inkubationszeit: Calciumcarbid reagiert nicht sofort. Es benötigt eine anfängliche Inkubationszeit von 20–40 Sekunden, bevor die Reaktionskinetik einsetzt.
● Geschwindigkeitsbegrenzender Schritt: Die Diffusion von Schwefel zu CaC 2 ist der geschwindigkeitsbegrenzende Schritt des Prozesses.
● Temperatur: Der Effekt ist minimal, 3 % liegen über 100 °C. Daher ist die Fokussierung auf andere Bereiche, wie z. B. das Mischen, entscheidend.
Mechanische Aspekte
● Penetrationsverhältnis (β): Die Effizienz der Reaktion hängt vom Penetrationsverhältnis ab, das den Gasfluss (zum Rühren) im Verhältnis zum Reagenzfluss (zur Injektion) angibt.
● Prozessvariante: Die Wahl zwischen Roheisenvorbehandlung und Pfannenofenraffination bestimmt das Ergebnis.
● Mischen/Rühren: Die Konfiguration von Reagenz-Injektionssystemen, wie z. B. Doppellanzensystemen, und der Grad des Rührens mit Inertgas bestimmen den Kontakt des Schwefels mit Calciumcarbid.
Der Einfluss der Partikelgröße 2 - 10 mm auf die Entschwefelung
Nachdem wir den Entschwefelungsprozess und den Einfluss verschiedener Parameter auf seine Effizienz kennengelernt haben, können wir uns dem wichtigsten Punkt unserer Diskussion zuwenden: dem Einfluss der Calciumcarbid- Partikelgröße auf die Entschwefelungseffizienz. Bei hochproduktiven Prozessen liegt die optimale Partikelgröße zwischen 2 und 10 mm.
Kinetik und anhaltende Reaktivität
Wir werden analysieren, wie sich die Vergrößerung der reaktiven Oberfläche auf die Gesamtreaktionskinetik auswirkt. Das Calciumcarbid muss während des gesamten Prozesses im geschmolzenen Metall stabil bleiben. Der Bereich von 2–10 mm ist für die Effizienz entscheidend.
● Anhaltende Reaktionsgeschwindigkeit
Obwohl die Zerkleinerung von Calciumcarbid zu Staub für die Zugabe zu flüssigem Stahl die schnellste Reaktion ermöglicht, lässt dieser Effekt rasch nach. Die Korngröße von 2–10 mm gewährleistet einen dauerhaft effektiven Stoffaustauschdurchmesser und somit eine zuverlässige Reaktion während der gesamten Raffinationszeit. (Coudure & Irons, 1994).
● Vermeidung chemischer Verlangsamung
Die moderate Oberfläche der 2–10 mm großen Partikel begrenzt die schnelle Bildung einer Calciumsulfid-(CaS)-Produkthülle, die ultrafeine Partikel innerhalb von Sekunden „erstickt“ (Chiang et al., 1990). Dieses langsamere Hüllenwachstum gewährleistet, dass der Carbidkern weiterhin effektiv reagiert und dabei einer vorhersehbaren Diffusionskinetik folgt.
Nutzung und physische Kontrolle
Die physikalische Robustheit von 2-10 mm großen Calciumcarbidpartikeln führt im Gegensatz zu Staub zu einer überlegenen Materialausnutzung.
Hohe Auslastungsrate
Partikel im Bereich von 2–10 mm erreichen eine Reagenznutzung von 55–75 %, im Vergleich zu nur 40–55 % bei Staubpartikeln <1 mm. Dies liegt daran, dass weniger Partikel unmittelbar vom Trägergas weggeblasen werden (Coudure & Irons, 1994).
Ausgezeichnetes Penetrationsverhältnis ( β )
Bei üblichen Einspritzraten erreicht das Penetrationsverhältnis β 25–35 % – deutlich höher als bei feinen Pulvern. Die höhere Masse dieser Partikel trägt dazu bei, dass sie weniger leicht von Gasblasen mitgerissen werden und tief in das geschmolzene Metall eindringen.
Ausreichende Verweildauer
Obwohl die Verweilzeit in der Injektionsfahne kurz ist (0,8–3 Sekunden), werden Milliarden von Partikeln injiziert, was für eine ausreichende kumulative Exposition sorgt, um innerhalb von 180–240 Sekunden eine Entschwefelung von 75–90 % zu erreichen (Guo et al., 2023).
Vorhersagbare Ergebnisse
Eine präzise Größenkontrolle (>90% innerhalb der Spezifikation) gewährleistet reproduzierbare K- und β-Werte bei jedem Messvorgang, wodurch die Reaktion leichter zu kontrollieren und die Ergebnisse hochgradig vorhersagbar werden.
Vorteile der Verwendung einer Partikelgröße von 2 - 10 mm
Optimierte Reaktion Durch die Schaffung einer ausgewogenen Oberfläche für eine effektive Kinetik wird gleichzeitig eine schnelle Bildung einer CaS-Hülle verhindert, wodurch die Reaktion länger aufrechterhalten wird. | Bessere Durchdringung Ein hohes Penetrationsverhältnis (β=25-35%) bei der pneumatischen Förderung gewährleistet einen tiefen Kontakt, was zu erheblichen Entschwefelungsgewinnen pro Reagenzzugabe führt. |
Verbesserte Durchmischung Granulate ermöglichen ein effizientes Rühren und Zirkulieren mit Gasblasenbildung, wodurch inerte „Totzonen“ reduziert und die Schwefeldiffusion maximiert werden. | Höhere Sicherheit Verringert das Risiko einer Acetylen-Gasexplosion durch Feuchtigkeitseinwirkung im Vergleich zu hochreaktiven, staubigen Feinpulvern erheblich. |
Prozesseffizienz Eine präzise Größenkontrolle ermöglicht wiederholbare Geschwindigkeitskonstanten K und Penetrationswerte und gewährleistet so hochgradig vorhersagbare Ergebnisse und Prozesseffizienz. | einfache Handhabung Granulate sind weniger abrasiv, ermöglichen stabile, höhere Durchflussraten und schützen Geräte wie Injektionslanzen vor Verschleiß. |
Reagenzienkosten senken Durch die verbesserte Ausnutzung und die reduzierten Verluste ergibt sich ein geschätzter um 25 % geringerer Reagenzienverbrauch im Vergleich zu Methoden mit mikrometergroßen Pulvern. | |
Fallstudie: Beispiel TYWH
Die Korngröße von 2–10 mm ist ein erfolgreiches Handelsprodukt, dessen Produktion und weltweiter Export von führenden Herstellern wie TYWH vorangetrieben wird. TYWH verfügt über eine jährliche Produktionskapazität von 120.000 Tonnen und exportiert die Korngrößen 2–4 mm und 4–7 mm weltweit. Diese Produkte zeichnen sich durch eine hohe Korngrößenkonstanz (über 90 % qualifiziert) aus und werden zum Schutz von Qualität und Sicherheit sicher in N2- Fässern verpackt.
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Abschluss
Zusammenfassend lässt sich feststellen, dass die Optimierung der Calciumcarbid- Partikelgröße zu einer höheren Ausnutzung, besserer Penetration und einer länger anhaltenden, optimierten Reaktion führt. Dies senkt die Reagenzienkosten und erhöht die Sicherheit, da Explosionsrisiken reduziert und vorhersehbare Ergebnisse gewährleistet werden.
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