Untersuchung des Einsatzes oxidischer Legierungselemente im Wasserstoffplasma-Schmelzreduktionsprozess (HPSR)

Die Stahlindustrie ist für etwa 7–9% der weltweiten CO₂-Emissionen verantwortlich, was hauptsächlich auf den Einsatz kohlenstoffbasierter Reduktionsmittel zurückzuführen ist. Um Klimaneutralität zu erreichen, sind alternative Produktionsrouten erforderlich, die CO₂-Emissionen vermeiden. Der Wasserstoffplasma-Schmelzreduktionsprozess (HPSR, eng. Hydrogen Plasma Smelting Reduction) stellt dabei eine vielversprechende, kohlenstofffreie Technologie dar, bei der Wasserstoffplasma als Wärmequelle und Reduktionsmittel für die direkte Reduktion von Eisenerz zu Stahl in einem einzigen Prozessschritt dient.
Diese Masterarbeit untersucht das Potenzial des HPSR-Prozesses nicht nur für den Einsatz von Eisenoxid, sondern auch für die gleichzeitige Reduktion oxidischer Legierungselemente, wie beispielsweise NiO, MoO₃ und WO₃, um die direkte Herstellung legierter Stähle zu ermöglichen. Zur Beurteilung der Reduzierbarkeit verschiedener Oxide mit Wasserstoff wurden thermodynamische Berechnungen mit der Software FactSage© durchgeführt. Anschließend erfolgten experimentelle Untersuchungen an der HPSR-Laboranlage des Lehrstuhls für Eisen- und Stahlmetallurgie der Montanuniversität Leoben. Dabei wurden das Reduktionsverhalten, die Temperaturentwicklung und die Prozessparameter analysiert sowie die Gaszusammensetzung und die chemische Zusammensetzung der Produkte mittels Rasterelektronenmikroskop untersucht.
Die Ergebnisse bestätigen das hohe Reduktionspotenzial von Wasserstoff und zeigen, dass unter diesen Prozessbedingungen parallel mehrere Legierungsoxide effektiv reduziert werden können. Diese Erkenntnisse verdeutlichen die Machbarkeit, vorlegierte Stähle direkt aus Oxidmischungen in einem einstufigen, CO₂-neutralen HPSR-Prozess herzustellen – ein bedeutender Beitrag zu einer nachhaltigen und klimafreundlichen Stahlerzeugung.