Influence of the material and hydrogen injection point on the efficiency of the hydrogen plasma smelting reduction process

Im Zuge der Ziele des Pariser Klimaabkommens befindet sich die Stahlindustrie in einem Wandel zu erneuerbaren Produktionsmethoden. Eine dieser Technologien ist die Wasserstoff-Plasmaschmelzreduktion (HPSR), die am Lehrstuhl für Eisen- und Stahlmetallurgie der Montanuniversität Leoben seit mehreren Jahrzehnten erforscht wird. Diese Arbeit untersucht den Einfluss verschiedener Beschickungsstrategien und Prozessgasinjektionen auf die Prozesseffizienz. Die Versuchsreihen umfassten drei Arten der Materialchargierung: diskontinuierliche Batch-Fahrweise, kontinuierliche Aufgabe über eine hohle Graphitelektrode (HGE) sowie die Verwendung selbstverzehrender Elektroden (SCE) aus Eisenerz. Jede Methode wurde mit unterschiedlichen Wasserstoff- und Argon-Injektionskonfigurationen kombiniert. Dazu gehörten drei verschiedene Ansätze: gemeinsame Einblasung über die HGE, getrennte Gaszufuhr über die HGE und eine seitliche Einblasdüse sowie gemeinsame seitliche Zugabe. Die Ergebnisse zeigen, dass der Gaseintrag einen entscheidenden Einfluss auf die Prozessleistung hat, während die Beschickungsart eine untergeordnete Rolle spielt. Eine gemeinsame Injektion von Wasserstoff und Argon führte durchgehend zu höheren Reduktionsgraden und schnelleren Reaktionsraten als getrennte Gaszuführungen. Letztere bewirkten einen geringeren Wasserstofftransport in die Reaktionszone und somit eine niedrigere Gesamteffizienz. Es konnten durchschnittliche Reduktionsraten von bis zu 0,85 gO2/min und Wasserstoffausnutzungen nahe den thermodynamischen Grenzen erreicht werden.