Beim 5. Freiberger Feuerfest-Symposium stand das Thema Wasserstoff-Korrosion in der Grünstahl-Produktion auf der Agenda. Eine Studie zu den Auswirkungen auf Feuerfestmaterial im Zuge des Einsatzes von Wasserstoff in der Stahlproduktion lieferte wichtige Erkenntnisse für die künftige Materialauswahl.
Beim 5. Freiberger Feuerfest-Symposium (22.-24. April 2024) standen neueste Erkenntnisse sowie praktische Erfahrungen rund um die Neu- und Weiterentwicklung feuerfester Werkstoffe sowie Chancen als auch Herausforderungen, die die Energiewende für die Feuerfest-Industrie mit sich bringt, im Fokus. Ein besonderer Themen-Schwerpunkt lag dabei auf der Problematik Wasserstoff-Korrosion an Feuerfestmaterialien: So präsentierte der Feuerfesthersteller Rath bei einem Vortrag richtungsweisende Ergebnisse einer Studie zu Auswirkungen auf Feuerfestmaterial im Zuge des Einsatzes von Wasserstoff in der Stahlproduktion. Mit einem Vortrag zum Status quo bei der Entwicklung Oxidkeramischer Endlosfasern lieferte Rath Einblicke zu einem weiteren zukunftsweisenden Thema.
Rund 160 Expertinnen und Experten aus dem Industrieofen- und Anlagenbau sowie der Anwendungstechnik, Montagefirmen, aus Forschung und Entwicklung sowie Feuerfest-Hersteller fanden sich beim 5. Freiberger Feuerfest-Symposium – organisiert in Kooperation von Deutsche Keramische Gesellschaft (DKG), Deutsche Gesellschaft Feuerfest- und Schornsteinbau (DGFS) und Rath AG – ein, mehr als 20 Fachvorträge standen auf dem Programm.
In der Feuerfest-Branche haben ein nachhaltiger Umgang mit Ressourcen und damit verbunden die Bemühungen den CO₂-Fussabdruck zu verringen, stark an Relevanz gewonnen – was sich auch in den Vortrags-Themen des Symposiums widerspiegelte. Ein Thema, das dabei u. a. intensiv diskutiert wurde: „Grüner Stahl“ – denn die weltweite Stahlproduktion trägt einen beträchtlichen Anteil zu Erderwärmung und Klimawandel bei. Aber es gibt erfolgversprechende Ansätze für eine Dekarbonisierung in der Stahlindustrie und damit eine nachhaltigere Stahl-Produktion: Dabei spielen künftig Wasserstoffbetriebene Direktreduktionsanlagen eine bedeutende Rolle. „Welche Auswirkungen der Einsatz von Wasserstoff auf die in diesen Anlagen eingesetzten Feuerfestmaterialien hat und welche diesen veränderten Beanspruchungen besonders gut standhalten, haben wir jüngst im Rahmen einer breit angelegten, vergleichenden Korrosions-Studie untersucht – und richtungsweisende Erkenntnisse gewonnen“, sagt Jürgen Puhl, Head of Group Research & Development, des Feuerfestanbieters Rath. Im Vordergrund standen Fragen wie: Wie wirken sich diese neuen Betriebsbedingungen im Korrosionsverhalten und in der Korrosionsdynamik aus? Wie stark ist der Temperatureinfluss? Und wie müssen Feuerfestmaterialien beschaffen sein, um die individuellen Anforderungen eines Kunden erfüllen zu können und so eine optimale und zugleich kosteneffiziente Performance von Direktreduktionsanlagen zu ermöglichen?
Untersuchungen von alumo-silikatischen und alumina-reichen Feuerfestmaterialien
Im Rahmen dieser Studie wurde das nichtbasische Produktportfolio mit einer Zusammensetzung von 40-99 % Al2O3 in H2-Atmosphäre ausgelagert. Dazu wurden Proben von Feuerleichtsteinen, dichten Steinen, monolithischen Produkten, Matten aus Hochtemperaturwollen sowie Vakuumformteilen evaluiert. Durchgeführt wurden die Auslagerungstests am Deutschen Institut für Feuerfest und Keramik (DIFK). Die Temperaturbeaufschlagung lag bei 1250 °C sowie 1400 °C unter einer 100 % H2-Atmosphäre mit einer Expositionsdauer von 200 Stunden. Zusätzlich wurde speziell für die Anwendung in Direktreduktionsanlagen eine Auslagerung bei 1100 °C unter typischer Mischgasatmosphäre durchgeführt. Die Bewertung der Korrosion erfolgte über die Ermittlung des Masseverlustes, um Aussagen über Temperaturabhängigkeit und Korrosionsgeschwindigkeit treffen zu können. Neben der Bestimmung der physikalischen Eigenschaften wurden weitere chemische Analysen und röntgen-diffraktometrische Messungen vor und nach der Exposition durchgeführt, um weitere Informationen zu Phasenstabilität und Mineralneubildungen zur Verfügung zu haben.
Kernergebnisse der Studie:
- Materialien mit hohem Korundanteil zeigen in allen Produkten sehr guten Korrosionswiderstand.
- Unter bestimmten Voraussetzungen (ausgewählter Rohstoffeinsatz und Produktionsparameter) erweist erweist sich Mullit als ebenfalls geeignetes Material bei wasserstoffhaltiger Atmosphäre.
- Glasphasen und SiO2-Phasen werden bei hohen Wasserstoffgehalten deutlich reduziert.
- Fremdoxide und Verunreinigen im Gesamtsystem spielen eine wesentliche Rolle hinsichtlich Stabilität unter Wasserstoffatmosphäre.
- Die Porosität von feuerfesten Werkstoffen hat nur untergeordnet Einfluss auf die Korrosion.
- Im Temperaturbereich von 1250 °C -1400 °C wurde ein deutlicher Anstieg der Korrosionsrate verzeichnet.
- Phosphatgebundene, gebrannte Steine weisen gegenüber phosphatfreien Produkten nur eine geringfügig höhere Korrosionsresistenz auf.
Zusammenfassend lässt sich laut Rath sagen: Die Studienergebnisse haben für die künftige Materialauswahl in der jeweiligen Applikation große Relevanz. Speziell für die Transformation zu Direktreduktionsanlagen mit zusätzlicher Wasserstoffbeimengung und das Ziel, Stahl künftig komplett klimaneutral zu produzieren, hat die gezielte Weiterentwicklung von feuerfesten Werkstoffen und Systemen eine wesentliche Bedeutung.
Quelle: Rath group
