Pictures of the Future   Herbst 2007

Heißes Eisen

Eine von Siemens und dem koreanischen Stahlkonzern Posco gemeinsam entwickelte Technologie namens Finex revolutioniert die Eisenverhüttung. Sie ist effizienter, billiger und umweltfreundlicher als alle bisherigen Verfahren.

Pohang sieht nicht aus wie der Ort für eine Weltrevolution. 300 000 Menschen leben in der südkoreanischen Hafenstadt, die früher ein kleines Fischerdorf war. Doch dann siedelte die Regierung Anfang der 1970er-Jahre das Stahlunternehmen Posco hier an. Von damals 39 Mitarbeitern ist die Belegschaft inzwischen auf 50 000 gewachsen. Posco ist mit einer Jahresproduktion von 30 Mio. t der viertgrößte Stahlhersteller der Welt. Jeder in Pohang hat auf die eine oder andere Weise mit Posco zu tun – und bald könnte es allen so gehen, die weltweit in der Stahlbranche tätig sind.

Denn auf Poscos Gelände läuft seit April 2007 eine Anlage, die ein Jahrzehnte altes Problem der Eisenverhüttung löst. Um im Hochofen aus Eisenerz Roheisen zu gewinnen, muss man bisher zwei äußerst arbeits- und energieaufwändige Prozesse vorschalten: das Sintern von Erz und das Verkoken von Kohle. Beim Sintern werden die Millimeter großen Erzkrümel bei etwa 1 200 °C angeschmolzen, um sie zu verklumpen – ansonsten würde das Erz die Gaskanäle in der Materialschüttung verstopfen. Durch diese Kanäle streicht im Hochofen Kohlenmonoxid am Erz vorbei und ruft die chemische Reaktion hervor, die das im Gestein enthaltene Eisenoxid zu elementarem Eisen reduziert. Für die Kokserzeugung wird Kohle unter Luftabschluss auf 1 000 °C erhitzt, wobei Teere und andere gasförmige Produkte entweichen und Koks übrigbleibt. Reine Kohle ist im Hochofen nicht einsetzbar, da ihre Teerprodukte ebenfalls die Gaskanäle verstopfen würden. Erst mit diesen beiden Prozessen – gesintertem Erz und verkokter Kohle – lässt sich im Hochofen bei Erhitzung auf über 2 000 °C Roheisen erzeugen.

Zumindest bisher. Denn die Finex-Technologie, eine gemeinsame Entwicklung von Posco und Siemens, macht Sinterofen und Kokerei überflüssig. "Wir haben jetzt erstmals einen Prozess, bei dem wir Feinerz und Kohlestaub direkt einsetzen können", erklärt Johannes Schenk, Projektleiter auf Siemens-Seite und einer der maßgeblichen Entwickler von Finex. "Stoffe, die an einer Stelle des Prozesses entstehen, werden über interne Rückführsysteme wieder eingesetzt." Damit ist Finex nicht nur energiesparender und umweltfreundlicher, sondern auch deutlich wirtschaftlicher als das bisherige Verfahren. "Die Produktionskosten sind rund 15 % geringer als bei einem herkömmlichen Hochofen", sagt Lee Hoo-geun, bei Posco zuständig für den Betrieb der Anlage. "Auf diese Technologie sind unsere Wettbewerber jetzt natürlich sehr neidisch." Zumal alles darauf hinweist, dass die Anlage den Praxistest mit Bravour besteht. Ursprünglich war Lee davon ausgegangen, für die Feinabstimmung der Prozesse bis Ende 2007 zu benötigen, doch schon im Juli waren 95 % aller Parameter, vor allem hinsichtlich Verfügbarkeit, Verbrauchswerten und Qualität, erfüllt. "Wir sind mit den Ergebnissen wirklich sehr zufrieden", sagt Lee.

Entwicklungsschub auf der Agenda. Finex ist ein Glücksfall der Globalisierung, ein Paradebeispiel für eine erfolgreiche weltweite Vernetzung von Know-how und Ressourcen. Die Geschichte begann vor über 15 Jahren. Der Wirtschaftsboom der asiatischen Tigerstaaten führte damals zu einer rapide steigenden Stahlnachfrage. Posco, unter anderem Hauptlieferant von Karosserieblechen für Hyundai, wollte jede Kapazitätserweiterung zugleich für einen technischen Entwicklungsschub nutzen. Die Suche nach neuen Verfahren führte die Koreaner 1991 ins österreichische Linz zu Voest-Alpine Industrieanlagenbau (VAI). Die Traditionsfirma, seit 2005 Teil von Siemens, hatte ein Verhüttungsverfahren namens Corex entwickelt, das ohne Kokerei auskommt, allerdings kein Feinerz direkt verarbeiten kann (siehe Pictures of the Future, Herbst 2006, Stahlindustrie).

"Corex war damals die beste Technologie", erinnert sich Joo Sang-hoon, Leiter des Ingenieurteams, das in Pohang die Finex-Anlage gebaut hat. "Aber wir waren sicher, es würde noch bessere geben." Damit rannten die Koreaner bei VAI offene Türen ein. Die Österreicher hatten bereits ein Konzept, um das Sintern und Verkoken einzusparen. "Wir waren aber nicht die einzigen", erinnert sich Schenk. "In der Branche zirkulierten rund 40 verschiedene Ideen." Doch Posco war vom VAI-Ansatz überzeugt. 1992 schlossen die Firmen einen Entwicklungsvertrag: VAI brachte sein Anlagenbau- und Verfahrensentwicklungs-Know-how ein, Posco seine Erfahrung als Anlagenbetreiber und die Kraft, ein derart aufwändiges Projekt über Jahre voranzutreiben und zu finanzieren.

Nach mehrjähriger Entwicklung und über 100 Patenten begann 1998 der Bau einer kleinen Testanlage mit einer Kapazität von 50 000 t/a. Die entscheidende Neuerung: ein Wirbelschichtreaktor, in dem das Feinerz bei etwa 800 °C von Kohlenmonoxid aufgewirbelt wird. Vier Reaktoren sind in Reihe geschaltet, und am Ende sind aus den Erzkrümeln kleine Eisenschwamm-Stücke geworden. Diese werden mit Walzen zu größeren Stücken geformt und in einen Einschmelzvergaser geleitet. Er ähnelt einem Hochofen, wobei in ihm nur noch Eisen und Schlacke aufgeschmolzen werden müssen. Dafür braucht es über 2 000 °C, die durch die Vergasung von Kohle mit Sauerstoff erzeugt werden, wobei das entstehende Gemisch aus Kohlenmonoxid und Wasserstoff als Reduktionsgas in den Wirbelschichtreaktor abgeführt wird. Ein wertvolles Nebenprodukt ist das Exportgas, das ein Stromkraftwerk speist. Vom Einschmelzvergaser werden wie vom Hochofen Eisen und Schlacke abgestochen.

Doch von der Theorie zur funktionierenden Anlage ist es ein langer Weg. Dazu müssen hunderte Parameter präzise aufeinander abgestimmt werden – angefangen von der Beschaffenheit der Rohmaterialien, der Einstellung von Temperatur und Gasdruck bis zur effizienten Nutzung der Nebenprodukte. "Es gibt unheimlich viele Problemquellen", erklärt Schenk, "und häufig sind es Peripheriedefekte, die das ganze System zum Absturz bringen können." "Der Prozess funktioniert, nur die Anlage nicht", kalauern Ingenieure in solchen Momenten, obwohl ihnen dann überhaupt nicht zum Spaßen zumute ist.

Erwartung übertroffen. Bei Finex funktionierte nicht nur der Prozess, sondern auch die erste Testanlage: Sie erreichte schnell eine Verfügbarkeit von 95 % und war einfach zu warten. Das Roheisen war qualitativ so gut wie das aus dem Hochofen. Die gasförmigen Emissionen, etwa Staub, Schwefel- und Stickoxide, lagen um 90 % unter denen einer herkömmlichen Anlage, und die Verunreinigung des Wassers wurde um bis zu 98 % reduziert; in konventionellen Anlagen fällt in der Kokerei stark mit Kohlenwasserstoffen und Cyaniden verschmutztes Wasser an, das aufwändig aufbereitet werden muss. 2001 beschloss Posco den Bau einer Demonstrationsanlage mit einer Jahreskapazität von 600 000 t, etwa der Hälfte einer gängigen Industrieanlage. Im Mai 2003 begann die Produktion: Sie erreicht mittlerweile 800 000 t/a.

Die transkontinentale Zusammenarbeit hatte sich bewährt. "VAI ist sehr vertrauenswürdig und absolut zuverlässig", sagt Joo. Auch die Österreicher profitierten von der interkulturellen Kooperation. "Wie Posco sich klare Ziele setzt und sich nicht davon abbringen lässt, ist schon beeindruckend", meint Schenk. Genauso wie deren Arbeitsengagement. "In den Wochen vor einer Inbetriebnahme sind alle rund um die Uhr im Einsatz." Viele seiner koreanischen Kollegen schliefen sogar im Büro auf Klappbetten.

2004 begannen Posco und VAI die erste Finex-Großanlage mit einer Nennkapazität von 1,5 Mio. t/a zu errichten, die im April 2007 in Betrieb ging. "Die Baukosten liegen bei etwa 80 % einer vergleichbaren Hochofenanlage", sagt Lee. Die Vorteile seien bestechend. "Ich kann mir nicht vorstellen, dass Posco in Zukunft noch etwas anderes als Finex-Anlagen baut." Derzeit will Posco Werke in Indien und Vietnam errichten. Auch andere Stahlhersteller haben bereits Interesse angemeldet. So plant der chinesische Konzern Baosteel sein neuestes Werk bei Shanghai so, dass es sich später zu einer Finex-Anlage erweitern lässt. Um den wirtschaftlichen Erfolg ihrer Erfindung machen sich die Ingenieure deshalb keine Gedanken, wohl aber darum, wie sich die Anlage weiter verbessern lässt. "Wir überlegen derzeit etwa, wie wir Wirbelschicht- und Einschmelzvergaser besser verbinden können", sagt Schenk, "und wie man auf das Trocknen des Erzes verzichten könnte." Auch Joo sieht noch großes Potenzial: "Wir haben noch längst nicht alles aus dem Prozess herausgeholt", meint er. "Technologische Entwicklung hört eben nie auf."
                                                                                                            Bernhard Bartsch