Durch die Umstellung auf die grüne Stahlproduktion wird in Zukunft deutlich mehr Schrott benötigt, die ausreichende Verfügbarkeit von Schrott wird somit eine bedeutende Rolle spielen. Wir forschen daher bereits heute in unterschiedlichen Projekten wie künftig mit Altschrott hochqualitative Stahlgüten erzeugt werden können.
Schon seit einigen Jahren forscht die voestalpine Stahl Donawitz an smarter Schrottsortierung, digital unterstützt durch laserbasierte Echtzeitanalyse. Die Wiederverwendung des Wertstoffs reduziert nicht nur den CO2-Ausstoß pro Tonne Rohstahl von 2,32 auf 0,67 Tonnen. Sie trägt auch maßgeblich zur Kreislaufwirtschaft bei. Damit bildet sie eine wichtige Basis auf dem Weg zu einer nachhaltigeren Stahlproduktion.
Eines steht fest: Stahl braucht Schrott. In der Stahlerzeugung kommt der wertvolle Sekundärrohstoff im LD-Konverter zum Einsatz: einem riesigen Gefäß, in dem flüssiges Roheisen, Schrott und Legierungen zu Stahl verarbeitet werden. Circa 15 – 20 % des Volumens ist dabei Kühlschrott, der dafür sorgt, dass die Temperatur beim Schmelzen im Rahmen bleibt. Rund 350.000 Tonnen Schrott benötigt allein die voestalpine Stahl Donawitz momentan jährlich für die Stahlproduktion.
Für diese enormen Mengen an Schrott gibt es viele unterschiedliche Quellen: der Alteisencontainer auf dem Bauhof, ausgediente Eisenbahnräder, Altfahrzeug Karosserien oder Trägerschrotte. Auch eigener Schrott fällt während der Produktion an. Doch nicht jeder Schrott kann einfach so verwendet werden, denn er ist klassiert und nur gewisse Sorten dürfen zum Einsatz kommen. Um hochqualitativen Stahl zu erzeugen, muss auch der Schrott eine entsprechend hohe Qualität aufweisen. Einer der Qualitätsfaktoren ist die Menge an Spurenelementen im Schrott. Die Grenzen für die Spurenelemente sind in den Produktnormen oder Spezifikationen teilweise sehr niedrig, womit auch die Einsatzfähigkeit einzelner Schrottsorten begrenzt ist. Daher ist es ein wichtiges Ziel, die Qualität der Schrotte hinsichtlich der enthaltenen aber z.T. nicht erwünschten Begleitelemente zu erhöhen.
In einem Forschungsprojekt hat die voestalpine Stahl Donawitz daher zunächst mit einer Partnerfirma an einer Pilotanlage die laserbasierte Echtzeitanalyse zur Schrottsortierung erprobt. Mit der smarten Schrottsortierung sollte aus dem Wertstoff das Beste herausgeholt und neue Schrottgüten zugänglich gemacht werden, um damit ein qualitativ hochwertiges Produkt zu erzielen. Im Rahmen des Projekts wurde die Genauigkeit für die Stahlanalyse erhöht und an die Zwecke der voestalpine angepasst. Die Ergebnisse wurden in Schmelzversuchen in den Laborstahlwerken Technikum Metallurgie (TechMet) und Metallurgie Labor (MetLab) der voestalpine Stahl Donawitz verifiziert und weiter optimiert. Rund vierzig Tonnen Schrott wurden zu Forschungszwecken genau analysiert und testweise eingeschmolzen.
Praktisch funktioniert die smarte Schrottsortierung wie folgt: Zerkleinerter, geschnittener oder geschredderter Schrott wird auf einer Vibrationsrinne mechanisch vereinzelt und auf einem mit einer Fördergeschwindigkeit von bis zu 3 m/sec schnell laufenden Förderband beschickt. Über ein Laserschnittverfahren wird dann die Lage der zu analysierenden Teile auf dem Messband und der „Landepunkt“ für die Analyse bestimmt. Dafür wird zunächst mit einer Vielzahl an Lasereinzelpulsen die Oberfläche von Beschichtungen, etc. gereinigt. Mit einem zweiten Stoß an Laserimpulsen wird aus einem kleinen Volumen der Probe Plasma erzeugt, dessen emittiertes Licht der eigentlichen chemischen Analyse dient. Dieses Verfahren nennt sich LIBS (laser induced breakdown spectroscopy), also laserinduzierte Plasmaspektroskopie. Ein gezielter Druckluftstrahl sortiert und separiert anschließend die Teile nach den zuvor programmierten Vorgaben. Nach rund eineinhalb Jahren Projektarbeit, in der das analytisch Ausgedachte auf der Versuchsanlage praktisch getestet wurde, war das Projektteam schließlich zufrieden mit den Ergebnissen.
Insgesamt wurden rund 40 Tonnen Schrott zu Forschungszwecken genau analysiert und testweise eingeschmolzen.
Laserbasierte Echtzeitanalyse hilft dabei, qualitativ hochwertigen Schrott und damit ein qualitativ hochwertiges Produkt zu erzielen.
Dass die Technologie und das Konzept dennoch stetig weiterentwickelt und potenzielle Einsatzmöglichkeiten noch genauer abgesteckt werden sollten, stand für das Projektteam von Anfang an fest. Bei einem unserer Kooperationspartner , werden derzeit an der dort implementierten smarten Sortieranlage zwei Verfahren betrachtet: LIBS und die Röntgenfluoreszenzanalyse (RFA). Mittlerweile ist die voestalpine Stahl Donawitz auch Teil des EU-Projekts PURESCRAP – Purity improvement of scrap metal (Verbesserung des Reinheitsgrads von Metallschrott). Ziel des Projekts ist es, die Nutzung von Schrott minderer Qualität (Post-Consumer-Schrott) durch den Einsatz und die Anwendung neuartiger Sensorkombinationen und Analysen – unterstützt durch künstliche Intelligenz – zu erhöhen. Ein europaweiter Zusammenschluss von zwölf Unternehmen – von Schweden über Belgien bis nach Italien – widmet sich dabei intensiv den diversen Aspekten des Prozesses, um den Stahlkreislauf als einer der Schlüsselfaktoren industrieller Nachhaltigkeit weiterzuentwickeln.
Fragen an Gerald K., Leitung Produkt-, Prozess- und Werkstoffentwicklung, voestalpine Stahl Donawitz GmbH
Schrott ist ein großes Thema, wenn es um Emissionsreduzierung und Nachhaltigkeit in der Stahlerzeugung geht. Je mehr Schrott eingesetzt wird, desto geringer ist der CO2-Ausstoß. Den Wertstoff wiederzuverwenden ist damit ressourcenschonend und genau der Schritt, den wir brauchen, um die immer spürbarer werdenden Folgen des Klimawandels abzumildern. Technik und Metallurgie leisten hier einen wertvollen Beitrag dazu, einerseits hochqualitative Produkte zu fertigen und gleichzeitig die Umwelt zu schonen.
Wir sehen bereits, dass eine mehrstufige Sortierung sehr großes Potenzial bietet. Dabei werden die Schrotte zunächst mit konventionellen Methoden wie Magnetscheidung gereinigt. Erst im letzten Schritt trennen schließlich LIBS oder RFA die Spreu vom Weizen.
Aus modernen PKW sind Features wie elektrische Fensterheber oder elektrische Sitzverstellung nicht mehr wegzudenken. Für diese Funktionen sind zahlreiche Elektromotoren von Nöten und einer der Hauptbestandteile dieser Motoren sind Kupferdrähte. Bei einer klassischen Aufbereitung werden die Stahlschrotte durch z. B. Kupfer verunreinigt und der Gehalt dieses Störelements nimmt somit auch stetig im Rohstoff Schrott zu. Diese Störelemente können nicht mehr oder nur teilweise aus dem Stahlherstellungsprozess entfernt werden, was die Wiederverwertungsmenge des wertvollen Rohstoffs beschränkt.
Alle Sensoren und Systeme zu verknüpfen, ist sehr komplex. Außerdem gibt es mehrere Methodenansätze zur Analyse des Schrottes, die derzeit geprüft werden. Die Messtechnik auf die speziellen voestalpine-Zwecke anzupassen und alle Systeme zu integrieren bzw. diese miteinander zu verknüpfen, ist eine der großen Challenges dieses Projekts.
Um die von uns benötigten enormen Mengen an gutem Vormaterial für die nachhaltige Stahlherstellung zu erhalten, arbeiten wir eng mit unseren Kooperationspartner zusammen. Schon die beengten Platzverhältnisse würden es gar nicht erlauben, solch riesige Stahlmengen in Donawitz zu verarbeiten.
Die voestalpine ist ein weltweit führender Stahl- und Technologiekonzern mit kombinierter Werkstoff- und Verarbeitungskompetenz. Die global tätige Unternehmensgruppe verfügt über rund 500 Konzerngesellschaften und -standorte in mehr als 50 Ländern auf allen fünf Kontinenten. Sie notiert seit 1995 an der Wiener Börse. Mit ihren Premium-Produkt- und Systemlösungen zählt sie zu den führenden Partnern der Automobil- und Hausgeräteindustrie sowie der Luftfahrt- und Öl- & Gasindustrie und ist darüber hinaus Weltmarktführer bei Bahninfrastruktursystemen, bei Werkzeugstahl und Spezialprofilen. Die voestalpine bekennt sich zu den globalen Klimazielen und verfolgt mit greentec steel einen klaren Plan zur Dekarbonisierung der Stahlproduktion.