Schlackenanalyse im Stahlwerk: Prozesse verstehen und optimieren

Entscheidungen unter Zeitdruck im Produktionsalltag

Dienstag, 14:32 Uhr. Ein Wintermorgen in einem deutschen Stahlwerk. Im Leitstand meldet das Ofenpersonal knapp: „Die Schlacke ist zu dunkel.“
Weitere Details fehlen, denn der ohrenbetäubende Geräuschpegel am Pfannenofen erlaubt keine differenzierte Rückmeldung. Eine belastbare chemische Analyse liegt frühestens nach zehn Minuten vor – im besten Fall.

Für den Schichtführer ist Abwarten keine Option. Der nächste Prozessschritt ist terminiert, die Entscheidung muss sofort getroffen werden. Auf Basis der Erfahrung des Ofenpersonals wird eine zusätzliche Menge Aluminium zur Desoxidation zugegeben – vorsichtshalber etwas mehr.

Ob diese Entscheidung optimal war, bleibt offen. Vielleicht hätte eine geringere Zugabe genügt oder eine Anpassung der Behandlungsdauer. Im Stahlwerksalltag sind solche Entscheidungen unter Unsicherheit jedoch Routine. Ihre Auswirkungen zeigen sich subtil, aber nachhaltig: im Verbrauch von Zuschlagstoffen, in der Standzeit der Feuerfestauskleidung und in der Reproduzierbarkeit der Produktqualität.

Laser-OES: Digitale Homogenisierung statt aufwendiger Probenvorbereitung

Der Engpass klassischer RFA-basierter Schlackenanalytik liegt häufig nicht in der Messung selbst, sondern in der Probenvorbereitung. Schlacken sind heterogen – physische Homogenisierung durch Zerkleinern, Mahlen oder Aufschmelzen kostet Zeit, Personal und erhöht die Fehlerquellen.

Laser-OES (Laser-Induced Breakdown Spectroscopy) verfolgt einen anderen Ansatz:

• Kurze, hochenergetische Laserpulse erzeugen lokal ein Plasma auf der Probenoberfläche.

• Tausende Einzelspektren werden softwareseitig gemittelt – eine digitale Homogenisierung entsteht.

• Direkte Messung auf gebrochener Schlacke reduziert den Einfluss lokaler Inhomogenitäten.

Der klassische Probenaufbereitungs-Marathon wird zum schnellen Analyse-Sprint: Brechen, messen, entscheiden – direkt in der Nähe des Prozesses.

Praxisbeispiel: BOF-Stahlherstellung – internationale Anwendung

In BOF-Prozessen entscheidet die Primärschlacke über die Notwendigkeit sekundärer oder tertiärer Behandlungen. Ein Laser-OES-Schlackenanalysator liefert die chemische Zusammensetzung in Echtzeit, sodass Entscheidungen fundiert und reproduzierbar getroffen werden können.

Internationale Referenz:

In China, einem der größten Stahlproduzenten weltweit, wurde ein Laser-OES-System direkt in BOF-/LF-Anwendungen erfolgreich implementiert. Dort zeigt sich, dass eine zeitnahe Schlackenanalyse den Verbrauch von Zuschlagstoffen reduziert, die Prozessdauer verkürzt und die Standzeit der Feuerfestauskleidung verlängert – Effekte, die auch in deutschen Anlagen replizierbar sind.

Direkter Nutzen (Beispielrechnung für ein Stahlwerk):

Ein Werk mit 4 Mio. t Jahresproduktion spart durch 2 % weniger sekundäre Schlackenbehandlungen ca. 80.000 t Einfach- statt Doppelbehandlung. Bei 5–10 US-Dollar/Tonne entspricht das einem Einsparpotenzial von 400.000–800.000 US-Dollar jährlich. Sekundäre Effekte wie stabilere Prozessführung oder bessere Reproduzierbarkeit der Stahlqualität sind hierbei noch nicht berücksichtigt.

Ein detaillierter Kostenvergleich RFA vs. OES in der Schlackenanalyse zeigt, warum vermeintlich günstigere Methoden im Stahlwerk teuer werden können.

Prozessnahe Analytik: Nähe zählt

Neben der Reduktion der Probenaufbereitung ist die räumliche Nähe zum Prozess entscheidend. Systeme, die at-line direkt am Ofen installiert sind, minimieren Transport- und Wartezeiten. Die Analyse wird Teil des Prozesses, nicht nur ein externer Laborschritt.

Integration mit Funken-OES:

• Konsistente Daten von Stahl- und Schlackenzustand

• Entscheidungen basieren auf aktuellen, zusammengehörigen Messdaten

• Reduzierte Sicherheitszuschläge bei Zugaben

• Gleichmäßige Belastung der Feuerfestauskleidung

Reproduzierbarkeitsvergleich: RFA vs. Laser-OES

Ringversuch-Ergebnisse:

Für Hauptkomponenten wie Al₂O₃ und SiO₂ weist die Presstabletten-Analytik mit Standardabweichungen von 0,65 % bzw. 0,93 % die höchsten Streuungen auf. Die Fusion-Bead-Analytik reduziert diese Streuung deutlich (Al₂O₃ : 0,26 %, SiO₂ : 0,14 %). Laser-OES bewegt sich mit 0,32 % für Al₂O₃ und 0,20 % für SiO₂ auf einem vergleichbaren Niveau wie die Schmelztabletten und deutlich unterhalb der Presstabletten.

Ein ähnliches Bild ergibt sich für MgO: Presstablette 0,27 %, Fusion Bead 0,16 %, Laser-OES 0,10 %. Gerade für MgO, das aufgrund seiner Bedeutung für Schlackenbasizität und Feuerfestangriff besonders relevant ist, zeigt Laser-OES hier eine sehr stabile Wiederholpräzision 

Interpretation:

• Presstabletten-Analytik zeigt die größten Streuungen, besonders bei leichten Elementen.

• Fusion Beads und Laser-OES erreichen stabile Wiederholpräzisionen auf vergleichbarem Niveau.

• Laser-OES kompensiert Inhomogenitäten durch statistische Mittelung – ohne aufwendige physische Homogenisierung.

Messwertstreuung in der Praxis

Analysen realer Schlackenproben zeigen:

• Al₂O₃: 31,6 % – knapp 40 %

• CaO: 28 % – >33 %

• MgO: 15 % – >20 %

Herkömmliche RFA mit Presstabletten ist empfindlich gegenüber Kornverteilung, Pressparametern und lokalen Inhomogenitäten. Unterschiede in Kalibrationsreferenzen der Stahlwerke führen zu zusätzlichen systematischen Abweichungen.

Laser-OES gleicht diese Schwankungen durch Mehrfachmessungen aus und liefert reproduzierbare Werte, die mit Fusion-Beads-Analytik vergleichbar sind.

Fazit

Schnelle Analytik und hohe Präzision schließen sich nicht aus.

Laser-OES bietet:

• Hohe Prozessnähe

• Stabile Wiederholpräzision

• Verlässliche, schnelle Entscheidungsgrundlagen

Die Methode ergänzt klassische Laborverfahren, ohne sie zu ersetzen, und ermöglicht:

• Stabile Prozesse

• Konstante Qualität

• Hohe Zuverlässigkeit im Stahlwerksalltag

Für praxisnahe Schlackenanalytik im Stahlwerk setzt sich das QLX9 Laser‑OES System für granulare Schlacke in der Prozesskontrolle durch.