© Uwe Hentschel
Am Uni-Standort Belval stehen noch zwei der ehemals drei Hochöfen. 1997 wurde der letzte stillgelegt.
Bei Temperaturen von bis zu 2000 Grad stößt man schnell an seine Grenzen: „Man kann zwar messen, was an heißem Gas einströmt und auch wie hoch die Temperaturen im oberen Bereich sind, aber damit hat man eben noch keine Informationen über das, was sich weiter unten im Inneren der Hochöfen abspielt“, sagt Bernhard Peters. Der Professor für Thermo- und Fluiddynamik ist Leiter des LuXDEM-Forschungsteams an der Uni-Fakultät für Naturwissenschaften, Technologie und Kommunikation (FSTC). Und er ist dem, was sich nicht messen lässt, extrem nah gekommen.
Bei einem Hochofen wird mit Hilfe der Hitze aus Eisenerz, einem Gemenge aus chemischen Verbindungen des Eisens mit nicht eisenhaltigen Gesteinen, Roheisen erzeugt. Dabei wird der Ofen von oben abwechselnd mit Eisenerz und Koks gefüllt, sodass sich in der Anlage Schichten dieser beiden Komponenten bilden. Der aus Kohle gewonnene Brennstoff Koks dient dabei als Brennstoff. Er wird durch die Zufuhr von bis zu 1300 Grad Celsius heißer Luft angefacht. Mit dem entstehenden Reduktionsgas werden die Eisenerze reduziert und schmelzen aufgrund der hohen Temperaturen. Flüssiges Eisen und Schlacke tropfen in das Gestell im unteren Bereich des Hochofens. Danach wird das flüssige Eisen weiterverarbeitet.
XDEM: Genauste Simulation, die Computer derzeit leisten können
Am Uni-Standort Belval standen bis Mitte der 1990er Jahre noch drei dieser Hochöfen. 1997 wurde der letzte stillgelegt. Der größte und jüngste dieser drei, der Hochofen C, wurde damals abgebaut und nach China verkauft, die beiden anderen Anlagen A und B sind seit 2000 als Kulturdenkmal eingestuft. Seit 2014 werden auf dem Hochofen A auch geführte Touren angeboten.
Das Prinzip der Hochöfen ist bekannt, die genauen Abläufe lassen sich aber nur erahnen. Aus diesem Grund haben Peters und sein Team XDEM entwickelt. XDEM (eXtended Discrete Element Method) ist ein Simulationsmodell, mit dem sich Vorgänge in Hochöfen äußert detailliert darstellen lassen. „Es gibt bereits einfache Modelle, für die man aber erst viele empirische Koeffizienten kennen beziehungsweise bestimmen muss“, erklärt der Ingenieur. Je genauer die Modelle seien, desto weniger dieser Kennzahlen benötige man, fügt er hinzu. „Und das, woran ich hier arbeite, ist das genaueste, was man mit den derzeit verfügbaren Rechenleistungen überhaupt machen kann.“
Richtige Zugabe von Koks und Eisenoxid für optimalen Hochofenprozess entscheidend
Interessant ist XDEM sowohl für die Entwickler als auch für die Betreiber von Hochöfen. „Wie die Zugabe von Eisenerz und Koks gesteuert wird, hat großen Einfluss auf den Betrieb der Anlagen“, sagt Peters. „Wenn beispielsweise die Temperatur in einem bestimmten Bereich des Ofens sinkt, tropft das Eisen langsamer“, erklärt der Forscher, der den Vorgang mit einem Kieshaufen vergleicht: „Wenn man Wasser über den Kies schüttet, sickert es ganz schnell nach unten durch. Nehmen wir aber statt Wasser Honig, dann dauert es viel länger.“
Ein Hochofen funktioniert nach dem Gegenstromprinzip: „Das heiße Gas steigt nach oben, während das flüssige Eisen und die Schlacke nach unten tropft“, erläutert der Ingenieur. Und beeinflusst würden diese Prozesse durch die jeweilige Temperatur in bestimmten Bereichen des Ofens.
Kritische Vorgänge simulieren, ohne sie testen zu müssen
„Bevor es Computer gab, waren diese Vorgänge nur reine Empirie. Bei der Planung der Hochöfen hat man auf einen immensen Erfahrungsschatz zurückgegriffen“, sagt Peters. „Wenn also irgendwelche Dinge aus dem Ruder gelaufen sind, wusste man, wie man reagieren muss.“ Mit Hilfe von XDEM lassen sich solche Vorgänge simulieren, ohne sie testen zu müssen.
„Wir können also auch bestimmte Was-wäre-wenn-Szenarien untersuchen und dabei schauen wie der Vorgang beeinflusst wird, wenn wir gewisse Parameter ändern“, so der Forscher. Die daraus gewonnen Erkenntnisse können entscheidend für den Betrieb der Anlage sein: „Wenn das flüssige Eisen und die Schlacke nicht schnell genug nach unten tropfen, sondern am Koks hängen bleiben, kann es passieren, dass der Hochofen verstopft“, sagt Peters.
Mit konkreten Berechnungen Qualität des Rechenmodells bestätigen
Dem kann man als Betreiber eines Hochofens entgegenwirken, indem man bei den ersten Anzeichen schnell reagiert. Der elegantere Weg wäre aber sicherlich, ein solches Szenario im Vorfeld zu simulieren, damit es in der Praxis erst gar nicht dazu kommt. Mit der Entwicklung des Rechenmodells wurde dafür die Grundlage geschaffen.
Im nächsten Schritt arbeiten Peters und sein Team nun an konkreten Berechnungen für den Hochofenprozess. Dazu werden Messungen aus einem Laborhochofen herangezogen, die mit den Rechenergebnissen verglichen werden, um die Qualität des Rechenmodells zu bestätigen.
Autor: Uwe Hentschel
