A Heißstrahlofen ist ein Hochofen für die Eisenherstellung, der mit Luft versorgt wird, die vorgewärmt wurde – typischerweise auf 900–1.300 °C – bevor sie durch Düsen, sogenannte Blasdüsen, in den Ofen geblasen wird, anstatt Luft mit Raumtemperatur („Kaltwind“) zuzuführen. Das Vorheizen selbst erfolgt in einem separaten Gerät, einem sogenannten Heißwindofen (auch Cowper-Ofen genannt), und die dabei entstehende erhitzte Luft wird als „Heißwind“ bezeichnet. Nahezu jeder Hochofen, der heute in Betrieb ist, nutzt dieses System, da vorgewärmte Luft den Brennstoffverbrauch drastisch senkt und die Leistung im Vergleich zu den Kaltwindöfen vor den 1830er Jahren steigert.
Die Unterscheidung ist wichtig, weil Heißwind nicht nur eine kleine Änderung ist – es ist eine der wenigen Innovationen, die die koksbetriebene Eisenerzeugung im großen Maßstab überhaupt erst wirtschaftlich gemacht haben. Hochöfen, die mit auf 900–1.250 °C vorgewärmter Luft gespeist werden, können Schmelztemperaturen von etwa 1.650 °C erzeugen, wodurch der Koksverbrauch pro Tonne produziertem Eisen deutlich reduziert wird. Zu verstehen, wie das Heißwindsystem funktioniert – und warum die Temperatur dieser Luft so wichtig ist – ist der Schlüssel zum Verständnis der Effizienz moderner Hochöfen.
Das Heißwindofensystem besteht aus zwei miteinander verbundenen Anlagenteilen, die zusammenarbeiten: dem Hochofen selbst, in dem die Schmelzreaktion stattfindet, und dem bzw. den Heißwindöfen, in denen die Luft erhitzt wird, bevor sie den Ofen erreicht.
Der Ofen besteht im Wesentlichen aus einem vertikalen zylindrischen Stahlmantel, der mit Schamottesteinen ausgekleidet ist und dessen Innenraum in zwei Kammern unterteilt ist: eine Brennkammer, in der Gase aus dem Hochofen und anderen Brennstoffquellen verbrannt werden, und eine Regenerativkammer, die mit einem Schachbrettmuster aus feuerfesten Steinen gefüllt ist, die durch das verbrannte Gas erhitzt werden. Diese feuerfesten „Schachbrettsteine“ sind das Wärmespeichermedium – sie nehmen während der Verbrennung Wärme auf und geben sie später wieder ab, wenn Frischluft durch sie hindurchgedrückt wird.
Ein Winderhitzer läuft nicht kontinuierlich in einem Modus, sondern wechselt zwischen zwei Phasen. Während der Gasbetriebszeit (Brennzeit) wird Brenngas verbrannt, um den Schacht-Wärmespeicher aufzuheizen; Während der Betriebszeit wird die Luft erwärmt, indem sie durch diesen Wärmespeicher strömt. Während der Blasentladungsphase wird Frischluft von einem Ventilator mit erhöhtem Druck über die erhitzten Ziegel geblasen. Nachdem sie auf bis zu 1.200 °C erhitzt wurde, wird diese Luft – heute Heißwind genannt – in den Boden des Hochofens geleitet, wo das Eisenerz geschmolzen wird.
Da ein Ofen nicht gleichzeitig Gas und Heizluft erhitzen kann, werden die meisten Hochöfen mit drei Öfen versorgt: Während zwei Öfen erhitzt werden, strömt der Luftstrom auf seinem Weg in den Hochofen durch die Regenerationskammer des dritten Ofens. Durch diese Rotation wird der Hochofen rund um die Uhr kontinuierlich und unterbrechungsfrei mit Heißluft versorgt.
Die erhitzte Luft strömt vom Ofen über ein Rohr zum Ofen, das sie an die Heißwinddüsen oder Blasdüsen verteilt, die um den Boden des Ofens angebracht sind. Da die Heißwindtemperatur für eine gute Ofeneffizienz konstant gehalten werden muss und die Temperatur beim Abkühlen eines Ofens auf natürliche Weise sinkt, wird der Heißwind mit einem kontrollierten Anteil an Kaltwind in einer Mischkammer gemischt, um die Zufuhrtemperatur auch dann konstant zu halten, wenn die gespeicherte Wärme eines einzelnen Ofens aufgebraucht ist.
Heißwind ist keine moderne Erfindung – sie stammt aus dem frühen 19. Jahrhundert und stellt einen der entscheidenden Durchbrüche in der Geschichte der industriellen Eisenherstellung dar. Bis in die 1820er-Jahre ging man tatsächlich davon aus, dass kalte Luft Eisen von besserer Qualität produziert als heiße Luft, vor allem weil die geringere Feuchtigkeit in der kühlen Winterluft als vorteilhaft angesehen wurde.
Heißwind wurde 1828 von James Beaumont Neilson im Wilsontown Ironworks in Schottland erfunden und für Eisenöfen patentiert. Neilson fand heraus, dass er durch die Erhöhung der Strahltemperatur auf nur 300 °F (149 °C) den Brennstoffverbrauch von 8,06 Tonnen Kohle auf 5,16 Tonnen pro Tonne produziertem Eisen senken konnte, wobei bei höheren Temperaturen weitere Reduzierungen möglich waren. Die Ergebnisse waren dramatisch und im großen Maßstab schnell überprüfbar: Dokumentierte Zahlen der Clyde Iron Works zwischen 1829 und 1833 zeigen, dass bei der Kaltwind-Koksverhüttung 8,2 Tonnen Kohle pro Tonne Eisen verbraucht und 37,5 Tonnen Roheisen pro Ofen und Woche produziert wurden, während die Heißwind-Koksverhüttung den Kohleverbrauch auf 5,3 Tonnen reduzierte und die Produktion auf 54,9 Tonnen pro Woche steigerte.
Neilsons Originalausrüstung hatte echte Einschränkungen. Die in einem Steinofen gelagerten Gusseisenrohre wiesen unterschiedliche Ausdehnungseigenschaften auf, was zu mehreren Rissen in den Rohren führte, und die Förderausrüstung verwendete solide Blasdüsen und flexible Lederverbindungen, die den hohen Temperaturen nicht standhalten konnten. Erst 1860 erfand der Engländer Edward Alfred Cowper den ersten erfolgreichen Heißwindofen – das regenerative Schachbrettmuster, das in verfeinerter Form noch heute der Industriestandard ist. Die schnelle Akzeptanz, die darauf folgte, war bemerkenswert: Bereits 1835, nur sieben Jahre nach Neilsons ursprünglicher Entdeckung, war Heißwind in ganz Großbritannien allgemein verbreitet.
| Ofentyp | Kohleverbrauch pro Tonne Eisen | Roheisenproduktion pro Woche |
|---|---|---|
| Kalte Explosion mit Cola | 8,2 Tonnen | 37,5 Tonnen |
| Heiße Explosion mit Cola | 5,3 Tonnen | 54,9 Tonnen |
| Heißwind mit Kohle | 3,0 Tonnen | 62,2 Tonnen |
Der Hauptgrund dafür, dass Heißwind funktioniert, ist eine einfache Thermodynamik: Kalte Luft, die in einen Ofen eintritt, muss durch die Verbrennung von Brennstoff im Ofen erhitzt werden, bevor sie etwas Nützliches bewirken kann, wodurch Koks verschwendet wird, indem einfach die Temperatur der einströmenden Luft erhöht wird. Durch das Vorwärmen des Luftstroms vor dem Eintritt in den Ofen erhöht sich die Wärmezufuhr in Form von fühlbarer Wärme, die die Koksrate direkt reduziert.
Moderne Forschungen bestätigen, dass die Beziehung sehr vorhersehbar ist. Mit jedem Anstieg der Heißwind-Austrittslufttemperatur um 100 °C kann der Koksanteil des Hochofens um 4–7 % gesenkt werden, die Leistung kann um 3–5 % gesteigert werden und die Kohleeinblaskapazität erhöht sich entsprechend. Eine separate Branchenschätzung bringt es in absoluten Zahlen auf den Punkt: Jeder Anstieg der Heißwindtemperatur am Bustle-Rohr um 10 °C verringert den Hochofenkoksanteil um etwa 4 bis 6 kg pro Tonne Roheisen.
Dies ist auch der Grund, warum Heißwind mit der Weiterentwicklung der Ofentechnologie unverzichtbar und nicht mehr optional geworden ist. Eine Windvorwärmung von etwa 1.200 °C gilt heute als unerlässlich, wenn pulverisierte Kohle durch die Blasdüsen eingeblasen wird, da der Heißluftstrom für eine schnellere Erhitzung, Pyrolyse der Kohle und Verbrennung der resultierenden gasförmigen Produkte sorgt.
Nicht alle Winderhitzer sind gleich gebaut. Aufgrund der unterschiedlichen Anordnung und Struktur der Brennkammer und des Regenerators werden Winderhitzer im Allgemeinen in drei grundlegende Bauformen unterteilt: interne Verbrennung, externe Verbrennung und obere Verbrennung. Die Wahl zwischen ihnen hängt größtenteils davon ab, wie viel Bodenfläche zur Verfügung steht und welche Spitzentemperatur der Heißluft der Betrieb anstrebt.
Bei einem Verbrennungsofen besteht der Ofen aus einer zylindrischen feuerfesten Wand mit einer inneren vertikalen Trennwand, die die einzelne Hülle in eine Brennkammer und eine Schachbrettkammer mit den Schachbrettsteinen unterteilt. Hierbei handelt es sich um die kompaktere, traditionelle Anordnung, die jedoch mit einer strukturellen Einschränkung verbunden ist: Das Design der inneren Brennkammer mit einer Trennwand weist bekannte Schwachstellen an den Ecken der Brennkammer auf.
Öfen mit externer Verbrennung bestehen aus einer separaten Schachtkammer und einer Brennkammer, die durch eine Kreuzung und nicht durch eine gemeinsame Innenwand verbunden sind. Durch die Aufteilung der beiden Kammern in unterschiedliche Schalen wird die Schwachstelle der Eckspannung des Innendesigns beseitigt und im Allgemeinen höhere Spitzentemperaturen unterstützt.
Eine neuere Kategorie von Öfen hat überhaupt keine Brennkammer im herkömmlichen Sinne – sie werden als Kuppelöfen, schachtlose Öfen oder Kalugin-Öfen bezeichnet. Insgesamt hat die Winderhitzer-Technologie, insbesondere das Design und die Qualität ihrer feuerfesten Materialien, in den letzten Jahren enorme Verbesserungen erfahren und einen Reifegrad erreicht, der eine Lebensdauer eines gut gebauten Ofens von über 30 Jahren gewährleistet.
Da in den verschiedenen Zonen des Ofens sehr unterschiedliche Temperaturen herrschen, kann nicht durchgehend ein einziger feuerfester Stein verwendet werden. Die Materialauswahl richtet sich danach, wie heiß jeder Abschnitt der Schachbrettkammer tatsächlich wird.
Dieser mehrschichtige Ansatz – die Anpassung der Feuerfestmaterialqualität an die tatsächliche Hitze, der jede Zone ausgesetzt ist – ermöglicht es einem einzelnen Ofen, einen Temperaturgradienten von Hunderten von Grad von oben nach unten sicher zu bewältigen.
Heißwindöfen sparen enorme Mengen an Koks, sind aber selbst erhebliche Energieverbraucher – eine Tatsache, die bei der Bewertung der Gesamteffizienz des Hochofens oft übersehen wird. Die von den Öfen benötigte Menge an Hochofengas macht etwa 40 % der gesamten Hochofengasproduktion aus, und der Energieverbrauch der Öfen kann 25 % des Gesamtenergieverbrauchs der Anlage erreichen.
Bezogen auf die Tonne sind die Zahlen gleichermaßen aussagekräftig: Basierend auf Daten von sechs effizienten Winderhitzersystemen weltweit beträgt der durchschnittliche Gesamtprimärenergiebedarf für die Winderöfen 1,8 GJ pro Tonne Roheisen, verglichen mit 11,6 GJ pro Tonne für den Hochofen selbst. Dies bedeutet, dass das Ofensystem, obwohl es absolut gesehen kleiner als der Ofen ist, dennoch einen bedeutenden und kontrollierbaren Anteil am Gesamtenergieverbrauch der Anlage darstellt – und zwar einen, bei dem Effizienzgewinne direkt in Kokseinsparungen umschlagen.
Praktische Verbesserungen in Betriebsanlagen haben dies eher in realen Zahlen als in der Theorie gezeigt. Zu den dokumentierten Ergebnissen der Ofenbatterieoptimierung bei integrierten Stahlproduzenten in den USA gehören eine Reduzierung der Ofenbrennstoffmenge um 8 bis 15 kg pro Tonne Roheisen und eine Erhöhung der Heißwindtemperatur um 15 °C bis 30 °C, was zu einer Reduzierung der Koksmenge um etwa 6 bis 12 kg pro Tonne Roheisen führt.
Für jeden, der ein Heißhochofensystem betreibt oder bewertet, bestimmen eine Handvoll Parameter durchgängig, wie gut die Öfen funktionieren und wo Effizienzgewinne oder -verluste auftreten.
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