CircSmeltSteel: Low carbon and circular valorisation of secondary materials in electric furnaces for proving high quality steelmaking with excellent product properties

Das Projekt „CircSmeltSteel“ validiert die Verwendung metallurgischer Nebenprodukte als Sekundärrohstoffe in der kohlenstoffarmen Eisen- und Stahlherstellung und klärt den Einfluss der Stahlqualität auf die Produkteigenschaften im Hinblick auf die Erfüllung der EU-Ziele für eine klimaneutrale Fertigung, Nachhaltigkeit und Wettbewerbsfähigkeit (Net-Zero Industry Act, Clean Industrial Deal, Aktionsplan für Stahl und Metalle).

Die gesamte Stahlproduktionskette wird abgedeckt, sowohl im vorgelagerten Bereich (Primär-/Sekundärmetallurgie, Gießen) als auch im nachgelagerten Bereich (Warm- und Kaltwalzen/Glühen). Es werden zwei CO₂-arme Verfahren mit einem systemorientierten Ansatz unter Verwendung von Nebenprodukten als Sekundärrohstoffe betrachtet: der Elektroschmelzofen (ESF, auch Smelter oder Unterpulverlichtbogenofen) sowie der Lichtbogenofen (EAF), beide im Pilot- und im industriellen Maßstab. Der produzierte Stahl wird unter höheren Gehalten an Störelementen (Stickstoff, Phosphor, Schwefel, Kupfer, Molybdän, Zinn) bewertet, wobei das Null-Fehler-Ziel der EU mithilfe mechanischer Prüfverfahren (z. B. Gleeble, Dilatometrie) berücksichtigt wird.

CircSmeltSteel steht im Einklang mit dem Null-Abfall-Ziel der EU und dem Konzept der industriellen Symbiose, da ESF-/EAF-Schlacken als Rohstoffe für andere Sektoren qualifiziert werden. Eine Strategie zur Kompetenzentwicklung, die das Paradigma von Industrie 5.0 einbezieht, wird die gesellschaftliche Bereitschaft fördern, minderwertige Materialien in bestehenden und neuen Technologien zur kohlenstoffarmen Stahlherstellung einzusetzen.

Alle abgeleiteten Daten und Modelle werden in eine digitale Plattform integriert, die als hervorragende Datenmanagementstrategie für F&E-Projekte in der Stahlindustrie dient. Ein hochkarätiges Konsortium vereint Know-how in den Bereichen Metallurgie, Anlagentechnik, Prozessautomatisierung und Kreislaufwirtschaft mit hochqualifizierten wissenschaftlichen Partnern. CircSmeltSteel wird das Bewusstsein für die Notwendigkeit der Verwertung von Nebenprodukten geringer Qualität für eine umweltfreundliche Roheisen- und Stahlproduktion sowie deren Skalierung schärfen, um eine ressourceneffiziente, wettbewerbsfähige Wirtschaft zu ermöglichen.

Das Geschäftspotenzial ist enorm: Es umfasst ein jährliches Recycling von Nebenprodukten in Höhe von ca. 80 Mt (für ESF- und EAF-Verfahren) sowie die Möglichkeit, den Sinter-Hochofen-Prozess in integrierten Werken zu ersetzen.

• K1-MET GmbH
• Materials Center Leoben Forschung GmbH (MCL)
• SIJ ACRONI DOO
• Acciaierie d’Italia S.p.A. (ADI)
• AIT Austrian Institute of Technology GmbH
• VDEh-Betriebsforschungsinstitut GmbH (BFI)
• Centre de Recherches Métallurgiques (CRM asbl)
• EMG Automation GmbH
• European Steel Technology Platform (ESTEP)
• FEhS – Institut für Baustoff-Forschung e.V.
• Feralpi Siderurgica S.p.A.
• Global Steel Wire SA (Celsa)
• Montanuniversität Leoben (TUL)
• Primetals Technologies Austria GmbH (PTAT)
• Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen (RWTH)
• Sidenor Aceros Especiales S.L.U.
• SSAB AB
• SSAB Emea AB
• Swerim AB
• FUNDACIÓN TECNALIA RESEARCH & INNOVATION
• Ghent University — Department of Materials, Textiles and Chemical Engineering
• University of Ljubljana — Chair of Metallurgical Processing Techniques
• voestalpine Steel Division
• voestalpine Stahl Donawitz GmbH

Übergeordnetes Ziel von CircSmeltSteel ist die Validierung innovativer, CO₂-armer Eisen- und Stahlherstellungsrouten mit hohem Anteil sekundärer Rohstoffe und gleichbleibend hoher Stahlqualität.

Im Folgenden sind die zentralen Teilziele des Projektes zusammengefasst:

• Es sollen mindestens sechs verschiedene Nebenproduktströme im Projekt getestet werden
• Im ESF soll ein Nebenproduktanteil von bis zu 50 % im Einsatzmaterial untersucht werden
• Im EAF soll ein Nebenproduktanteil von bis zu 20 % im Einsatzmaterial untersucht werden
• Für ESF und EAF sollen jeweils mindestens drei geeignete Agglomeratrezepturen entwickelt werden
• Für den ESF wird eine direkte CO₂-Reduktion von mehr als 80 % gegenüber der Hochofenreferenz angestrebt
• Im ESF und im EAF soll der Einsatz von bis zu 100 % sekundären Kohlenstoffträgern untersucht werden
• Im EAF wird durch den Einsatz von Biokohle als Schaumschlackenbildner eine direkte CO₂-Reduktion von 25 % sowie eine Reduktion des fossilen Energieverbrauchs von 25 % angestrebt
• Die Eigenschaften von ESF‑, EAF- und Sekundärmetallurgieschlacken sollen analysiert und ihr Potenzial für eine stoffliche Verwertung, beispielsweise in der Zement- oder Bauindustrie, bewertet werden
• Das Verhalten der sechs relevanten Begleit- und Spurenelemente N, P, S, Cu, Mo und Sn soll entlang der Prozesskette quantifiziert werden
• Die Qualität von zwei Stahlgüten, nämlich Baustahl und mikrolegierter Stahl, soll im Projekt bewertet werden
• Für Downstream-Prozesse sollen reduzierte Ordnungsmodelle für die Level-2-Automatisierung entwickelt und im Labormaßstab demonstriert werden
• Eine digitale Plattform für Datenerfassung, Datenmanagement, Modellimplementierung und Modellnutzung soll aufgebaut und den Projektpartnern nach 14 Monaten zugänglich gemacht werden
• Eine technische, ökologische und ökonomische Bewertung der untersuchten Prozessrouten soll mithilfe von LCA, LCC, Material- und Energiebilanzen sowie Business-Case-Analysen durchgeführt werden
• Zusätzlich soll eine Strategie zur Kompetenzentwicklung für eine zirkuläre und CO₂-arme Stahlherstellung erarbeitet werden

CircSmeltSteel deckt sowohl aktuelle Verfahren (Schrott-EAF) als auch neue bahnbrechende Technologien (ESF in Verbindung mit EAF) für die CO₂-arme Stahlherstellung ab, einschließlich SecMet (LF, RH), Gießen und nachgelagerter Prozesse (Warm-/Kaltwalzen, Glühen). Für die CO₂-arme Eisenerzeugung stellt der ESF eine hervorragende und vielversprechende Verbindung zwischen der Verwertung von minderwertigen Eisenträgern und der Herstellung von hochwertigem Stahl mit ausgezeichneten Eigenschaften dar, wobei durch angepasste SecMet-Verfahren höhere Verunreinigungsgehalte zulässig sind. Darüber hinaus ist der ESF perfekt mit bestehenden BOF-Anlagen kompatibel (Verarbeitung von HM zu Rohstahl unter Verwendung bestehender BOFs) und stellt eine neue Technologie dar, die integrierten Stahlherstellern hilft, ihre Scope-1-CO₂-Emissionen drastisch zu reduzieren. Dies ist ein weiterer wichtiger Grund, warum CircSmeltSteel jetzt erforderlich ist, um die nächste Stufe der Dekarbonisierung zu erreichen.