Influence of Various Metallurgical Process Parameters on the Oxidic Meso- and Macroscopic Cleanness Level

Die vorliegende Arbeit widmet sich der detaillierten Untersuchung nichtmetallischer Einschlüsse (NMEs) im Stahl, insbesondere solcher Partikel, welche im meso- (15–100 µm) und makroskopischen Größenbereich (>100 µm) liegen. Im Mittelpunkt steht die Frage, wie unterschiedliche sekundärmetallurgische Prozesse sowie Gießbedingungen die Bildung, Größe und Anzahl dieser Einschlüsse beeinflussen. Zudem wurden unterschiedliche methodische Ansätze angewandt/entwickelt und unter realen Industriebedingungen erprobt, um die Herkunft und Quelle dieser NMEs zuverlässig zu identifizieren. Ein zentrales Element ist eine neuartige Röntgenprüfmethode, die erstmals industriell eingesetzt wurde und die präzise Lokalisierung von Einschlüssen >80 µm ermöglicht, wo etablierte Verfahren an Grenzen stoßen. Ergebnisse zeigen: Der Reinheitsgrad hängt stark von der Herstellroute ab. Während einfache Behandlungsrouten, etwa das Heizen und Legieren am Pfannenofen ohne weiterführende Maßnahmen, zu niedrigen Einschlussdichten führen, erhöhen Entschwefelungs- oder Ca-Behandlungen die Anzahl und Größe der NMEs deutlich. Diese Erkenntnisse sind besonders relevant für das integrierte Hüttenwerk in Linz, das vor einer (teilweisen) Umstellung von der Hochofen-Konverter-Route auf die Elektrolichtbogenofen (ELBO) basierte Stahlherstellung steht. Aufgrund des höheren Schwefelgehalts im Einsatzmaterial werden künftig intensivere Entschwefelungsmaßnahmen notwendig. Auch die Stabilität des Stranggießprozesses beeinflusst den Reinheitsgrad signifikant. Besonders instationäre Gießphasen führen zu einem Anstieg exogener NMEs. Durch den kombinierten Einsatz der Röntgenradiographie und von Schlackentracern konnte sowohl der zeitliche Verlauf des Reinheitsgrads im Strang während dieser kritischen Phase als auch die exogene Herkunft einzelner Einschlüsse bestimmt werden.
Zur Rückverfolgung endogener NMEs wurden Seltenerdmetalle (La, Ce) als Tracer unmittelbar nach der Al-Desoxidation im Rahmen der Ti-IF-Stahlproduktion zugegeben. Dabei wurde die vorherrschende endogene Einschlusspopulation gezielt mittels Seltener Erden modifiziert und markiert. Neben der Untersuchung der Einschlussmodifikation lag ein Schwerpunkt auf dem Abscheideverhalten der getracten Einschlüsse in die jeweiligen Prozessschlacken sowie deren Schichtaufbau innerhalb des Gießrohrs während des Gießprozesses.
Ein spezieller Industrieversuch widmete sich einem bestimmten Einschlusstyp, der sowohl unter Standardbedingungen als auch während der Tracerstudien nachgewiesen wurde. Hierbei kamen aktive Tracerverfahren (La/Ce zur Markierung endogener Einschlüsse sowie BaO zur Markierung der Kokillenschlacke) und eine passive Methode, der sogenannte Seltene-Erden-Fingerprint, zum Einsatz. Letzterer vergleicht die charakteristischen Spurenelementverläufe (beschränkt auf Lanthanoide) von NMEs mit jenen der eingesetzten Einsatzstoffe wie Desoxidationsmittel und Schlackenbildner. Der untersuchte Ca-Aluminat-Einschlusstyp konnte eindeutig auf eingezogene Kokillenschlacke zurückgeführt werden. Unterschiede in der chemischen Zusammensetzung im Vergleich zu typischen Zeilenfehlern, die ebenfalls dieser Quelle zugeordnet werden, ließen sich durch unterschiedliche Verweilzeiten im flüssigen Stahl erklären und wurden durch thermodynamische Modellrechnungen bestätigt.
Insgesamt liefert die Arbeit neue Erkenntnisse über die Einschlusslandschaft im meso- und makroskopischen Bereich unter industriellen Bedingungen und stellt innovative Verfahren zur Einschlussquellenbestimmung bereit. Die Ergebnisse bieten eine fundierte Basis zur Optimierung metallurgischer Prozesse und zur Entwicklung zukunftsfähiger Strategien für die Herstellung von reinem Stahl, insbesondere im Hinblick auf die Herausforderungen der Dekarbonisierung und den Wandel hin zur ELBO-basierte Stahlerzeugung.