ThyssenKrupp techforum 1/2011 (PDF, 13,8 MB)

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ThyssenKrupp techforum 1/2011 (PDF, 13,8 MB)

ThyssenKrupp

techforum

Ausgabe 1 I 2011

ThyssenKrupp techforum 1 I 2011


Herausgeber

ThyssenKrupp AG, Corporate Center Technology, Innovation & Quality, ThyssenKrupp Allee 1, 45143 Essen

Redaktion: Guido Focke, Telefon: +49 201 844-536291, Fax: +49 201 8456-536291

Erscheinungsweise

ThyssenKrupp techforum’ erscheint ein- bis zweimal jährlich in deutscher und englischer Sprache.

Nachdruck nur mit Genehmigung des Herausgebers. Fotomechanische Vervielfältigung einzelner Aufsätze

ist erlaubt. Der Versand des „ThyssenKrupp techforum“ erfolgt über eine Adressdatei, die mit Hilfe der

automatisierten Datenverarbeitung geführt wird.

ISSN 1612-2763

Titelbild

Das Bild zeigt den wärmetechnischen Bereich einer Anlage zur Herstellung von

Zement, südlich von Casablanca/Marokko. Die beiden übereinander liegenden Rohr-

leitungen in der Bildmitte leiten 900 °C heiße Luft aus der Kühlzone der Anlage

in den Calcinator, um die Prozesswärme zur Verbrennung zu nutzen. Im Turm auf

der rechten Bildseite ist der zweisträngig ausgeführte, 5-stufige Wärmetauscher

untergebracht. Außen angehängt ist die aufsteigende, zentrale Calcinatorleitung zu

erkennen, die sich oben verzweigt und nach unten in die beiden Stränge des

Wärmetauschers mündet. Ebenfalls in dem Turm, aber durch den Calcinator verdeckt,

befinden sich zwei große Brennkammern der Bauart CC (Combustion Chamber).

Diese Brennkammern sind in den letzten Jahren für den Einsatz von AFR (Alternative

Fuels and Raw Materials) optimiert worden. Hier werden Ersatzbrennstoffe auf-

gegeben und zum Großteil verbrannt. Der rückstandsfreie Ausbrand erfolgt dann in

dem Calcinator. Das Rohmaterial durchläuft diesen Prozess im Gegenstrom, d.h. es

wird im Wärmetauscherturm oben aufgegeben und auf dem Weg nach unten auf

etwa 800 °C vorgewärmt. Im Calcinator wird das Rohmaterial durch Zugabe von

Brennstoff bei 850-900 °C calciniert und anschließend im Drehrohrofen (unten links,

rot) bei 1.450 °C gebrannt. In dem nachgeschalteten Kühler wird der gebrannte

Klinker gekühlt und die so auf 900 °C aufgeheizte Kühlluft dem Ofen und dem

Calcinator als Verbrennungsluft wieder zugeführt. In der anschließenden Mahlung

wird der Klinker zum Zement veredelt.

Die AFR-Strategie von Polysius wurde mit dem ThyssenKrupp Sonderinnovationspreis

„Energie und Umwelt“ 2010 ausgezeichnet.


Liebe Leserinnen, liebe Leser,

ThyssenKrupp steht für herausragende Ingenieurkompetenzen. Für unseren Konzern ist

es von hoher Bedeutung, unsere Innovationskraft im Zusammenhang mit der Entwicklung

anspruchsvoller Produkte und Dienstleistungen konsequent weiter zu stärken. Wir setzen

vor diesem Hintergrund alles daran, unseren Mitarbeiterinnen und Mitarbeitern dafür

ausreichend Freiraum einzuräumen sowie das technische Know-how unseres Konzerns

verstärkt auf unsere Kunden auszurichten und weiter auszubauen. Dieses Thema hat für

ThyssenKrupp – und für mich als Ingenieur ganz persönlich – zentrale Bedeutung.

Eine wesentliche Institution zur Prämierung von Ideen und Erfindungen ist unser jährlich

ausgerichteter Innovationswettbewerb. In diesem techforum möchten wir Ihnen herausragende

Projekte der letzten beiden Jahre vorstellen.

Mit dem Innovationspreis 2009 wurde eine Prozessentwicklung von Uhde ausgezeichnet:

Der STAR process ® ist ein weltweit erstmalig kommerzialisiertes Verfahren mit hoher Produk-

tivität und geringem Energieverbrauch zur gezielten Herstellung von Propylen als Ausgangsprodukt

für die Kunststoffproduktion. Mit ihm können Kosten und CO 2-Emissionen gesenkt

sowie ein aktiver Beitrag zum Umweltschutz geleistet werden.

Erstmalig haben wir in 2009 einen Sonderinnovationspreis „Energie und Umwelt“ ver-

liehen. Als Beitrag zum aktiven Klimaschutz entwickelte ein Projektteam von ThyssenKrupp

Xervon Energy ein ganzheitliches Konzept zum modularen Retrofitting für die Rehabilitierung

und Effizienzsteigerung konventioneller Kraftwerke mit dem Ziel, erhebliche Wirkungsgradverbesserungen

sowie die Reduzierung spezifischer CO 2-Emissionen zu erreichen.

Sieger des Innovationswettbewerbes 2010 ist das konzernübergreifende InCar ® -Projekt,

das bereits auf weltweiten Roadshows vorgestellt und von unseren Kunden äußerst positiv

bewertet wurde. Hier brachten insgesamt 13 Konzernunternehmen über 30 Innovationen

rund ums Automobil in den Bereichen Fahrwerk, Karosserie und Antrieb hervor.

Mit dem Sonderinnovationspreis „Energie und Umwelt“ des letzten Jahres wurde eine

von Polysius entwickelte Strategie zum thermischen und stofflichen Recycling von Abfällen

in der Zementherstellung ausgezeichnet. Fossile Brennstoffe können dadurch eingespart und

CO 2-Emissionen erheblich reduziert werden. Dies führt zu deutlichen Kosteneinsparungen bei

der Zementherstellung und leistet gleichzeitig einen aktiven Beitrag zum Umweltschutz.

Weitere Preisträger der letzten beiden Jahre sind u.a. ein von HDW entwickelter und

gebauter akustisch optimierter Uboot-Propeller aus Kompositwerkstoffen, mit dem Geräusch-

emissionen nahezu aller Frequenzbereiche über den gesamten Geschwindigkeitsbereich

eliminiert werden können. Eine weitere Auszeichnung erhielt ein Team von ThyssenKrupp

Acciai Speciali Terni, Italien, für einen technisch anspruchsvollen Herstellungsprozess, mit dem

große Edelstahl-Rohblöcke mit einem Gewicht von 500 t für die anschließende Herstellung

großer Bauteile, z.B. Generatorwellen und Niederdruckrotoren, gegossen werden können.

Auch die weiteren Beiträge dieser Ausgabe verdeutlichen die Innovationskraft von

ThyssenKrupp, die wir zukünftig durch verstärkte Investitionen in unsere FuE-Maßnahmen

ausbauen werden.

Viel Vergnügen bei der Lektüre wünscht Ihnen

Ihr

Dr.-Ing. Heinrich Hiesinger

Vorsitzender des Vorstands der ThyssenKrupp AG

ThyssenKrupp techforum 1 I 2011

Vorwort / 3


4 / Inhalt

08 / 12 / 18 /

26 / 30 / 38 /

08 / InCar ® – Der innovative Lösungsbaukasten für die Automobilindustrie

Dipl.-ing. olivEr Hoffmann Projektleiter InCar ® /Leiter Anwendungstechnik ThyssenKrupp Steel Europe ag Duisburg

Im Rahmen des divisionsübergreifenden Projektes InCar ® wurde ein automobiler Technologieträger

entwickelt, der sämtliche Produkte und Innovationen von 13 ThyssenKrupp Unternehmen rund ums Auto-

mobil in einem Projekt verbindet sowie die Leistungsfähigkeit und Innovationskraft von ThyssenKrupp

eindrucksvoll demonstriert. Durch interdisziplinäre Zusammenarbeit wurden über 30 innovative Lösungen

für Karosserie, Fahrwerk und Antrieb entwickelt. Mit InCar ® wurde ein neuer Meilenstein für zukünftige

Forschungs- und Entwicklungsarbeiten innerhalb des Konzerns gesetzt.

12 / LubriTreat ® – Eine funktionale Nanobeschichtung für die Automobilindustrie

Dr. rEr. naT. JESSica BrinKBäumEr Fachkoordinatorin Entwicklung Oberfläche FuE ThyssenKrupp Steel Europe ag Dortmund

Dr. rEr. naT. KEn-Dominic flEcHTnEr Fachkoordinator Entwicklung Oberfläche FuE ThyssenKrupp Steel Europe ag Dortmund

Dipl.-ing. pETEr HEiDBücHEl Fachkoordinator Umformtechnik FuE ThyssenKrupp Steel Europe ag Duisburg

Dr. rEr. naT. STElla JanSSEn Fachkoordinatorin Organische Chemie FuE ThyssenKrupp Steel Europe ag Dortmund

Dipl.-ing. gErnoT noTHacKEr Fachkoordinator Produktion FBA 8 ThyssenKrupp Steel Europe ag Dortmund

Dr. rEr. naT. rEinHarD WormuTH Teamleiter Korrosion und Elektrochemie FuE ThyssenKrupp Steel Europe ag Dortmund

ThyssenKrupp Steel Europe hat eine neue Beschichtung entwickelt, die das Umformverhalten verzinkter

Stähle entscheidend verbessert. LubriTreat ® wird hauchdünn direkt auf die Stahloberfläche aufgetragen

und verbessert so die Umformeigenschaften über die gesamte Oberfläche. Das gemeinsam mit Castrol

Industrial entwickelte und patentierte Beschichtungssystem kann mit vorhandener Anlagentechnologie

erzeugt werden. Die Beschichtung ist frei von Schwermetallen und wurde als universale Umformhilfe

konzipiert. Anwendungsbereiche finden sich in der Automobilindustrie sowie bei Herstellern von kom-

plexen Bauteilen mit hohen Anforderungen an die Oberfläche. Eine weltweite Vermarktung des Produktes

ist angestrebt.

ThyssenKrupp techforum 1 I 2011


18 / Innovatives Blockgießen für große Bauteile

ThyssenKrupp techforum 1 I 2011

ing. amBro carpinElli Production Manager Società delle fucine S.r.l. Terni/Italien

ing. rEnaTo palomBa Special Projects ThyssenKrupp acciai Speciali Terni S.p.a. Terni/Italien

Dr. anDrEa mignonE Marketing and Industrial Sales Manager Società delle fucine S.r.l. Terni/Italien

Durch den Bedarf des Marktes an immer größeren und schwereren Schmiedestücken, wie z.B. Rotoren

und Generatorwellen für thermonukleare Stromerzeugungsanlagen mit Leistungen von bis zu 1.600 MW

sowie bis zu 6 m breite Stützwalzen für Blechwalzwerke, sah sich ThyssenKrupp Acciai Speciali Terni (AST)

veranlasst, alle anlagentechnischen Änderungen zu planen und vorzunehmen, die für die Herstellung von

Gussblöcken mit einem Gewicht von 500 t und mehr erforderlich sind. Mit diesen Gussblöcken – zurzeit die

größten, die bisher in Europa erschmolzen wurden – sind AST und die Tochtergesellschaft Società delle

Fucine (SdF) in der Lage, auf dem internationalen Markt – neben Stützwalzen für Walzwerke – Rotorwellen und

Generatoren für Kern- oder konventionelle Anlagen mit einem Transportgewicht von bis zu 250 t zu liefern.

26 / Optimierung von Aluminium- und Metalloberflächen

mittels Clean Coil Konzept

ralf ScHmiD Geschäftsbereichsleiter ThyssenKrupp Metallcenter ThyssenKrupp metalServ gmbH Wörth

Dipl.-WirT.-ing. (fH) STEfan cHriST Leiter Strategischer Vertrieb ThyssenKrupp Metallcenter ThyssenKrupp metalServ gmbH Wörth

Dipl.-WirT.-ing. (fH) BaSTian BrunoW Key Account Manager ThyssenKrupp Metallcenter ThyssenKrupp metalServ gmbH Wörth

Beim Produktionsprozess von Walzprodukten werden bedingt durch die verschiedenen Walzschritte, das

Glühen und weitere Fertigungsprozesse die Metalloberflächen mit Schmutzpartikeln, Metallspänen sowie

diversen Walzölen verunreinigt. Diese Verunreinigungen lagern sich in den Poren und Zwischenräumen der

Metalloberfläche ab und können bei weiteren Bearbeitungsschritten, wie zum Beispiel Kleben, Stanzen,

Schweißen/Löten und Umformen, zu Qualitätsproblemen führen. Der vom ThyssenKrupp Metallcenter

entwickelte Clean Coil Prozess befreit das Material mit Hilfe von speziellen Reinigungsbürsten und einer

Reinigungsemulsion schonend und kratzerfrei von Schmutz und Abrieb. Anschließend kann ein ’Finish’

als dosierte Beölung oder als trockenes Material erfolgen.

30 / Modulares Retrofitting-Konzept – Effizienzsteigerung und

Ressourcenschonung in der Energieerzeugung

Dr.-ing. ulricH ScHaBErg Leiter Inbetriebnahme ThyssenKrupp Xervon Energy gmbH Duisburg

Dipl.-ing. annEgrET Baum Projektleiterin ThyssenKrupp Xervon Energy gmbH Duisburg

Dipl.-ing. marTin HöBlEr Projektleiter ThyssenKrupp Xervon Energy gmbH Duisburg

Betreiber von Industrieanlagen agieren im Umfeld ständig wandelnder Anforderungen wirtschaftlicher,

technischer und politischer Art, wobei die Treibhausgas-Emission und der damit verbundene Zertifikate-

handel zunehmend an Bedeutung gewinnen. In diesem Kontext stellt die Effizienzsteigerung und Schadstoff-

minimierung an Bestandsanlagen für die Betreiber eine Alternative zu Neuanlagen dar. Mit dem modularen

Baukasten, der die verschiedenen Ertüchtigungsmöglichkeiten aufzeigt und der nahezu keinen Kunden-

wunsch nach Effizienzsteigerung und Emissionsreduzierung offen lässt, hat ThyssenKrupp Xervon Energy

einen Realisierungsrahmen geschaffen, mit dem Betreiber das Optimierungspotenzial ihrer bestehenden

Anlagen ausloten und in einem verbindlichen Kosten- und Terminrahmen umsetzen können.

38 / LOFT – Eine Umwelt-Initiative von ThyssenKrupp Aufzüge

alEXanDEr KEllEr Geschäftsführer ThyssenKrupp aufzüge gmbH Stuttgart

STEpHan WirTH Geschäftsführer gWH aufzüge gmbH Himmelstadt

DirK linnE Niederlassungsleiter Mainz ThyssenKrupp aufzüge gmbH Mainz

nicola DangErfiElD Leiterin Verkaufsförderung Marketing Kommunikation ThyssenKrupp aufzüge gmbH Stuttgart

Große Aufgaben bewältigt man oft nur in vielen kleinen Schritten: Die LOFT-Umwelt-Initiative von ThyssenKrupp

Aufzüge leistet mit energiesparenden und zukunftsorientierten Produkten einen entscheidenden Beitrag zum

Klima- und Umweltschutz – sowohl für Neuanlagen als auch für Modernisierungen.

Inhalt / 5


6 / Inhalt

44 / 50 / 54 /

60 /

64 / 70 /

44 / STAR process ® – Ein neues hochproduktives Verfahren zur Propylenherstellung

Dr. rEr. naT. HElmuT gEHrKE Abteilungsleiter Labor/Technikum uhde gmbH Dortmund

Dipl.-ing. maX HEinriTz-aDrian Abteilungsleiter Verfahrenstechnik uhde gmbH Dortmund

Dipl.-ing. rolf ScHWaSS Chemieingenieur uhde gmbH Dortmund

Dr.-ing. SaScHa WEnzEl Abteilungsleiter Technologie-Service uhde gmbH Dortmund

Der STAR process ® ist das weltweit erste kommerziell eingesetzte Verfahren zur Erzeugung von Propylen, das

auf dem Prinzip der oxidativen Dehydrierung von Propan beruht. Propylen ist eines der wesentlichen petro-

chemischen Basisprodukte mit nachhaltig hohen Wachstumsraten, das vor allem zur weiteren Verarbeitung bei

der Erzeugung von hochwertigen Kunststoffprodukten – z.B. Polypropylen – verwendet wird. Die oxidative

Dehydrierung im STAR process ® ist eine Neuentwicklung, die von Uhde mit Hilfe einer eigens hierfür gebauten

Pilotanlage durchgeführt wurde. Erstmalig wurde sie großtechnisch in einer kommerziellen Anlage zur jähr-

lichen Erzeugung von 350.000 t Propylen mit anschließender Weiterverarbeitung zu Polypropylen für den

Kunden Egyptian Propylene & Polypropylene Company (EPP) in Port Said/Ägypten schlüsselfertig umgesetzt.

50 / Mobile High-Performance-Entstaubung für die Schüttgutentladung

Dipl.-ing. anDrEaS pETErS Bereichsleiter Sales & Marketing uhde Services gmbH Haltern am See

anDré KuHn Bereichsleiter Mechanical Technology uhde Services gmbH Haltern am See

Dipl.-ing. gErHarD alTmEyEr Bereichsleiter Hochofenbetrieb Hamborn ThyssenKrupp Steel Europe ag Duisburg

Dipl.-ing. HanS-JürgEn lEißnEr Bereichsleiter Entstaubungstechnik/EA ThyssenKrupp Steel Europe ag Duisburg

Ständig steigende Umweltauflagen zur Reduzierung von Feinstaubemissionen beim Schüttgutumschlag setzen

neue Maßstäbe für Hüttenwerksbetreiber. Von Uhde Services und ThyssenKrupp Steel Europe gemeinsam

entwickelt befindet sich seit Januar 2008 eine weltweit einzigartige mobile High-Performance-Entstaubungs-

anlage für die Schüttgutentladung auf der Hochbahnbunkeranlage im Hochofenbetrieb Duisburg-Hamborn

in Betrieb.

54 / Polysius-AFR-Strategie

74 /

Dr.-ing. DiETmar ScHulz Senior Executive R&D polysius ag Neubeckum

Dipl.-ing. Karl mEnzEl Senior Executive Engineering Clinker Production polysius ag Neubeckum

Dr. rEr. naT. HuBErT BaiEr Senior Project Manager Alternative Resources polysius ag Neubeckum

Im Herstellungsprozess von Zement sind etwa ein Drittel der CO 2-Emissionen auf den Brennstoffverbrauch

zur Entkarbonatisierung der Rohstoffe und zur Erzeugung der hohen Sintertemperaturen von über 1.400 °C

zurückzuführen. Um diese Emissionen deutlich zu senken, sollen vermehrt ’Alternative Fuels and Raw Materials’

(AFR) eingesetzt werden. Polysius hat hierzu eine maßgeschneiderte Strategie entwickelt und umgesetzt,

die ein hohes Wachstumspotenzial aufweist und eine deutliche Erweiterung der Wertschöpfungskette bedeutet.

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60 / ThermoTecSpring ® – Hochfeste Leichtbau-Feder als Beitrag zur CO2-Reduzierung Dr.-ing. marcEl groß Engineering/Prozesse Schraubenfedern ThyssenKrupp Bilstein Suspension gmbH Hagen-Hohenlimburg

Mit der Anpassung des Verfahrens der thermomechanischen Umformung an die Anforderungen der Warmfertigung

von Schraubendruckfedern ist es ThyssenKrupp Bilstein Suspension gelungen, die Eigenschaften

des Materials so zu verändern, dass höher beanspruchbare Federn realisiert werden können. Damit ist der

Weg frei für leichtere Federn mit geringeren Drahtdurchmessern sowie kürzere Federdesigns bei gleicher

Performance. Gemessen an den normalfesten Tragfedern ermöglicht die ThermoTecSpring ® -Technologie

je nach Anwendungsfall eine Gewichtsersparnis von 15 bis 20 % pro Feder. Damit trägt die ThermoTecSpring ®

zur Senkung des Kraftstoffverbrauches und zur Reduktion des CO2-Ausstoßes bei.

64 / Akustisch optimierter Propeller aus Kompositwerkstoffen

ThyssenKrupp techforum 1 I 2011

Dipl.-ing. aXEl paul Theoretical Engineering, Team Strength Calculation Howaldtswerke-Deutsche Werft gmbH Kiel

Dipl.-maTH. anDrEaS ScHmiDT Theoretical Engineering, Team Hydrodynamics Howaldtswerke-Deutsche Werft gmbH Kiel

Dipl.-ing. Eric Wolf Theoretical Engineering, Team Hydrodynamics Howaldtswerke-Deutsche Werft gmbH Kiel

Die Howaldtswerke-Deutsche Werft, eine Gesellschaft der ThyssenKrupp Marine Systems, ist auf die

Konstruktion und den Bau von nichtnuklearen Ubooten spezialisiert. Für die neuen Uboote der Klassen

212A sowie 214 entwickelt und fertigt HDW einen wegweisenden neuen Propeller aus Kompositmaterial

mit hochdämpfenden viskoelastischen Zwischenschichten, der mit seinen hervorragenden akustischen

Eigenschaften ein weiteres Alleinstellungsmerkmal bildet, das die HDW-Uboote für die Kundenmarinen

noch attraktiver macht.

70 / ViSTIS ® – Revolutionäres Team-Training für komplexe Systeme

marKuS ScHuppErT m.a. Projektleiter ViSTIS ® Blohm + voss naval gmbH Hamburg

Eine hochwertige Ausbildung von Bedienungs- und Instandsetzungspersonal von komplexen Systemen

ist die Basis für einen erfolgreichen und effizienten Einsatz von Mensch und Material. Aber die Besatzungsausbildung,

z.B. für Marineschiffe, ist bisher nur auf dem Originalschiff möglich. Mit ViSTIS ® ,

dem ’Virtual Ship Training and Information System’, wird dies künftig auch auf einem virtuellen Schiff

unabhängig von der Original-Hardware bzw. vom Originalschiff möglich sein. Dieses innovative

Ausbildungs- und Informationssystem wird derzeit unter Federführung von Blohm + Voss Naval in

Hamburg entwickelt.

74 / RFID-Brammenlogistik

Dipl.-Winf. loÏc fEinBiEr Leiter CoC Supply Chain Visibility ThyssenKrupp iT Services gmbH Essen

Dipl.-Winf. yaSEmin yaSlar Supply Chain Visibility Projekte ThyssenKrupp iT Services gmbH Essen

Dipl.-ing. HEinEr niEHuES ThyssenKrupp RFID-Logistics Platform ThyssenKrupp iT Services gmbH Essen

Die automatisierte Erfassung von Materialstücken in logistischen Prozessen gewinnt zunehmend an Bedeutung.

Um den Anforderungen einer möglichst schnellen, sicheren und transparenten Lieferkette zu genügen, wird

immer häufiger auf RFID-Technologie (Radio Frequency IDentification) gesetzt. ThyssenKrupp führte als

erster Werkstoff- und Technologiekonzern RFID zur automatisierten Identifikation von Brammen entlang einer

neuen Supply Chain von Brasilien über Umschlaghäfen nach Europa und USA ein. Dadurch werden die

Verladezeiten der Brammen deutlich verkürzt und Verwechslungen vermieden.

Inhalt / 7


8 /

Thema

InCar ®

Der innovative Lösungsbaukasten

für die Automobilindustrie

Dipl.-ing. olivEr Hoffmann Projektleiter InCar ® /Leiter Anwendungstechnik ThyssenKrupp Steel Europe ag Duisburg

Das InCar ® -Projekt

ThyssenKrupp techforum 1 I 2011


Im Rahmen des divisionsübergreifenden Projektes InCar ®

wurde ein automobiler Technologieträger entwickelt, der

sämtliche Produkte und Innovationen von 13 ThyssenKrupp

Unternehmen rund ums Automobil in einem Projekt verbindet

sowie die Leistungsfähigkeit und Innovationskraft von

ThyssenKrupp eindrucksvoll demonstriert. Durch interdisziplinäre

Zusammenarbeit wurden über 30 innovative Lösungen

für Karosserie, Fahrwerk und Antrieb entwickelt. Mit InCar ®

wurde ein neuer Meilenstein für zukünftige Forschungs- und

Entwicklungsarbeiten innerhalb des Konzerns gesetzt.

ThyssenKrupp techforum 1 I 2011

InCar ® – ökonomische und ökologische Vorteile

Im Rahmen des InCar ® -Projektes wurden verschiedene

Ansätze im Bereich Karosserie, Fahrwerk und Antrieb ent-

wickelt, um den Kunden aus der Automobilindustrie

Möglichkeiten aufzuzeigen, Kosten, Gewicht und/oder den

CO 2-Ausstoß eines Fahrzeuges signifikant zu senken. Ins-

gesamt konnten über 30 Innovationen entwickelt werden,

die in mindestens einem Punkt dem Stand-der-Technik

deutlich und nachweislich überlegen sind.

Alle Lösungen sind im Hinblick auf die Umweltverträglichkeit,

insbesondere der CO 2-Emissionen, detail-

liert untersucht und bewertet worden. Die durchgeführte

Analyse beschränkt sich dabei nicht nur auf die Nutzungs-

phase im Fahrzeug, sondern bezieht die Produktionsphase

mit ein. Auf Basis dieser Untersuchungen können die

ökologischen Auswirkungen neuer Technologien, Produkte,

Prozesse und Verfahren frühzeitig und zuverlässig umfassend

abgeschätzt werden.

Eine Kombination der umweltfreundlichsten Technologien

aus dem InCar ® -Projekt erlaubt eine Reduktion des CO 2-

Ausstoßes im Fahrbetrieb von über 17 g/km und ergibt im

Lebenszyklus eine Verringerung des CO 2-Äquivalents pro

Fahrzeug von über 5,5 t.

Da der Einsatz dieser innovativen Technologien gleichzeitig

eine Kostenreduktion von 30 €/Fahrzeug ermöglicht,

zeigt sich deutlich, dass ökonomische und ökologische

Ziele im Einklang miteinander stehen können. Diese

Betrachtung liefert wertvolle Entscheidungshilfen über eine

rein technische sowie ökonomische Betrachtung hinaus

und ermöglicht aufgrund reduzierter Fahremissionen die

Umsetzung von Klimaschutz im Automobilbau von morgen.

Die Auszeichnung des InCar ® -Projektes mit dem zweiten

Platz des Ökoglobes 2010 bestätigt die hohe Relevanz

und das erhebliche Potenzial der verschiedenen InCar ® -

Lösungen als Beitrag zu einer nachhaltigen Mobilität.

InCar ® – Der innovative Lösungsbaukasten von ThyssenKrupp / 9

Lösungsbaukasten

Im InCar ® -Projekt arbeiteten über 100 Experten des

ThyssenKrupp Konzerns für Werkstoffentwicklung,

Engineering, Bauteilfertigung sowie Anlagen-, Prototypen-

und Werkzeugbau für die Automobilindustrie interdisziplinär

zusammen. Aus über 400 innovativen Ideen zu

Projektbeginn haben die Forscher, Entwickler und Key-

Account-Verantwortlichen des ThyssenKrupp Konzerns die

aussichtsreichsten Konzepte ausgewählt und Potenzial-

analysen durchgeführt. Anschließend wurden diese Ansätze

mit deutschen und internationalen Automobilbauern

diskutiert und die Ausrichtung der Forschungs- und

Entwicklungsarbeit festgelegt. Somit war sichergestellt,

dass nur Entwicklungen betrieben wurden, die über ein

sehr hohes Marktpotenzial verfügen, da bereits in diesen

Workshops ein sehr großes Interesse an den technischen

Lösungen gezeigt wurde. Es wurde deutlich, dass

ein solch umfassendes Forschungsprojekt nur in einem

Technologiekonzern wie ThyssenKrupp durchgeführt werden

konnte, da die im Projekt dargestellte Kombination von

Entwicklungstiefe und -breite von keinem Marktbegleiter

geleistet werden kann.

Von den über 30 Innovationen aus dem InCar ® -Projekt

sollen im Folgenden drei Lösungen kurz beschrieben werden,

um einen ersten Einblick in das Projekt zu geben.

DampTronic ® select

Mit DampTronic ® select / Bild 1 / wird die Lücke zwischen

den aufwendigen elektronisch stufenlos verstellbaren

Dämpfern und den konventionellen, passiven Dämpfern

geschlossen. Der Kunde bekommt die Möglichkeit,

zwischen den Fahrwerkseinstellungen „sportlich straff“

und „komfortbetont“ per Knopfdruck zu wechseln und das

bei niedrigen Systemkosten und geringem Integrations-

aufwand. Das Herzstück dieser Innovation ist das

DampTronic ® select Ventil, welches zwischen einer Sport-

kennlinie und einer Komfortkennlinie geschaltet werden

kann. Obwohl das System vorzugsweise in der Komfort-

kennlinie betrieben wird, bieten beide Dämpfkraftkenn-

Bild 1 / DampTronic ® select – Sportfahrwerk zum Einschalten


10 / InCar ® – Der innovative Lösungsbaukasten von ThyssenKrupp

linien die volle Abstimmbarkeit konventioneller Dämpfer.

Somit können beide Kennlinien auf die spezifischen

Bedürfnisse des Fahrzeuges zugeschnitten werden, ohne

funktionale Einschränkungen beim Ansprechverhalten,

Fahrkomfort oder der Fahrdynamik in Kauf nehmen

zu müssen. Durch einen Verzicht auf Sensoren und auf-

wendige Steuergeräte kann gegenüber den stufenlos

elektronischen Verstellsystemen eine deutliche Kostenre-

duktion von ca. 50 - 60 % erzielt werden. Somit erschließen

sich die Vorzüge von verstellbaren Dämpfungssystemen

auch für das Mittelklasse- oder Kleinwagen-Segment.

Tailored Tempering

Beim Tailored Tempering Prozess wird durch den Einsatz

eines partiell beheizten Werkzeuges die Möglichkeit

eröffnet, lokal eine langsamere Abkühlgeschwindigkeit

des Bauteiles bei der Warmumformung zu erzielen

/ Bilder 2 und 3 /. Während der Bauteilbereich im

nicht beheizten Werkzeugteil einer hohen Abkühl-

geschwindigkeit unterworfen wird und sich ein marten-

sitisches Gefüge ausbildet, wird durch eine Verringerung

der Abkühlgeschwindigkeit im beheizten Werkzeugteil

Bild 2 / Thermografie des B-Säulen-Werkzeuges für den Tailored Tempering Prozess

Temperatur [°C]

550

je nach Prozessführung ein ferritisch-perlitisches oder

ein ferritisch-bainitisches Gefüge realisiert. Somit können

über die Wahl der Prozessparameter anforderungs-

gerecht die mechanischen Eigenschaften im Werkstoff

beziehungsweise im Bauteil partiell eingestellt werden.

Somit lässt sich gegenüber einer klassischen Bauweise

ein Gewichtsvorteil von über 20 % erzielen. Ein erster

Auftrag für eine Großserienbelieferung konnte bereits

gewonnen werden.

pDvc/pSvc

Die Entwicklung einer gestuften und einer variablen Ventilsteuerung

/ Bild 4 / bietet die optimalen mechanischen

Voraussetzungen, um innerhalb des gesamten Betriebs-

kennfeldes eines Ottomotors eine maximale Performance

bei minimalem Verbrauch und Emissionen zu erzielen.

Darüber hinaus besteht die Option, im Niedriglastbereich

eine Zylinderabschaltung zu realisieren, sodass Verbrauchsvorteile

von bis zu 20 % gegenüber einem modernen

Ottomotor nachgewiesen werden konnten. Diese Kraftstoffreduzierung

entspricht einer Reduktion der CO 2-Emissionen

von über 14 g/km.

Bild 3 / B-Säule „MBW ® 1500 Tailored Tempering“ nach einem Deformationstest Bild 4 / Presta Shiftable Valve Control (PSVC) –

Prüfstand für den geschleppten Zylinderkopftest

20

ThyssenKrupp techforum 1 I 2011


ThyssenKrupp techforum 1 I 2011

Ganz gleich, wo Automobilhersteller nach Verbesserungen

suchen – bei InCar ® werden sie in den Bereichen Karosserie

(z.B. Tailored Tempering), Fahrwerk (z.B. DampTronic ®

select) und Antrieb (z.B. PDVC (Presta Delta Valve Control)/

PSVC (Presta Shiftable Valve Control)) fündig. Weil aber

Kunden unterschiedliche Innovationsschwerpunkte setzen,

zeigt InCar ® meist mehrere technische Alternativen auf. Ob

Leichtbau, Wirtschaftlichkeit oder Funktionalität: In min-

destens einem dieser Punkte ist jede InCar ® -Lösung dem

Stand der Technik deutlich und nachweislich überlegen. Das

macht InCar ® zu einem Baukastensystem, aus dem jeder

Kunde die für ihn optimale Lösung auswählen kann.

Zusammenfassung und Ausblick

Auch bei der Vermarktung der Projektergebnisse wurden

im Rahmen des InCar ® -Projektes neue Wege beschritten.

Neben einer ca. 30-seitigen Kurzfassung des Projektes, veröffentlicht

in deutsch, englisch, französisch und japanisch,

wurde ein ATZ-Sonderheft mit dem Titel „Das InCar-Projekt

von ThyssenKrupp“ mit über 250 Seiten mehrsprachig

erstellt aufgelegt.

Im Rahmen der weltweiten Roadshows konnten allein in

Europa über 15 OEMs (Original Equipment Manufacturers)

besucht werden. Über 2.500 Besucher haben die InCar ® -

Ausstellung – teilweise mit weiteren Neuentwicklungen aus

dem ThyssenKrupp Konzern ergänzt – besucht und sich

in den begleitenden Fachvorträgen oder direkt an den

Exponaten mit den Experten austauschen können.

In Japan wurden mit Toyota, Nissan und Honda die

“Big Three” besucht, wobei über 900 Besucher erreicht werden

konnten. In den USA wurden bei fünf OEMs TechShows

mit über 950 Besuchern veranstaltet; ein wichtiger Schritt

und Startschuss für ThyssenKrupp Steel Americas als

InCar ® – Der innovative Lösungsbaukasten von ThyssenKrupp / 11

Bild 5 / InCar ® -Demonstrator Bild 6 / InCar ® -TechTruck – Herzstück für die weltweite Roadshow

innovativer (Entwicklungs-)Partner der Automobilindustrie

in den USA. Die Techshow in Südkorea bei Hyundai Kia war

ebenfalls ein voller Erfolg. Über 1.000 Besucher konnten

verzeichnet werden. Weitere TechShows sind für dieses Jahr

in China geplant / Bilder 5 und 6 /.

Darüber hinaus wurden mehr als 25 Veröffentlichungen

in Druckmedien, 7 Berichte in Funk und Fernsehen sowie

über 30 Präsentationen auf Tagungen, Messen und Kongressen

absolviert.

Aus dieser für ThyssenKrupp bisher einmaligen

Marketing-Offensive, zugeschnitten auf die Automobilindustrie,

konnte durchgängig ein äußerst positives Feedback

verzeichnet werden. Über 150 Nachfolgetermine

wurden vereinbart, aus denen sich fast 100 konkrete

Projekte ergeben haben. Eine Vielzahl von Aufträgen

können bereits jetzt schon als Erfolg direkt dem InCar ® -

Projekt zugeschrieben werden.

Eine mögliche Fortführung des InCar ® -Projektes,

ist derzeit in Planung, um auch zukünftig der Automobilindustrie

wertvolle Impulse liefern zu können und neue

technologische Wege aufzuzeigen. Neben weiteren Anstren-

gungen im Bereich des Karosserie-Leichtbaus werden

auch Anforderungen, die beispielsweise ein hybrider

oder elektrischer Antrieb der Kraftfahrzeuge an die Fahrzeugarchitektur

von morgen stellt, im Fokus der zukünftigen

Arbeiten stehen. Somit wird ThyssenKrupp auch zukünftig

einen wesentlichen Beitrag für eine umweltfreundliche

Mobilität leisten.

Das in diesem Artikel vorgestellte InCar ® -Projekt wurde mit

dem 1. Preis des ThyssenKrupp Innovationswettbewerbes

2010 ausgezeichnet.


12 / Thema

Kontinuierlicher Beschichtungsprozess mit LubriTreat ®

bei ThyssenKrupp Steel Europe

ThyssenKrupp techforum techforum 1 I 2011


LubriTreat ®

Eine funktionale Nanobeschichtung

für die Automobilindustrie

Dr. rEr. naT. JESSica BrinKBäumEr Fachkoordinatorin Entwicklung Oberfläche FuE ThyssenKrupp Steel Europe ag Dortmund

Dr. rEr. naT. KEn-Dominic flEcHTnEr Fachkoordinator Entwicklung Oberfläche FuE ThyssenKrupp Steel Europe ag Dortmund

Dipl.-ing. pETEr HEiDBücHEl Fachkoordinator Umformtechnik FuE ThyssenKrupp Steel Europe ag Duisburg

Dr. rEr. naT. STElla JanSSEn Fachkoordinatorin Organische Chemie FuE ThyssenKrupp Steel Europe ag Dortmund

Dipl.-ing. gErnoT noTHacKEr Fachkoordinator Produktion FBA 8 ThyssenKrupp Steel Europe ag Dortmund

Dr. rEr. naT. rEinHarD WormuTH Teamleiter Korrosion und Elektrochemie FuE ThyssenKrupp Steel Europe ag Dortmund

ThyssenKrupp Steel Europe hat eine neue Beschichtung

entwickelt, die das Umformverhalten verzinkter

Stähle entscheidend verbessert. LubriTreat ® wird

hauchdünn direkt auf die Stahloberfläche aufgetragen

und verbessert so die Umformeigenschaften

über die gesamte Oberfläche. Das gemeinsam mit

Castrol Industrial entwickelte und patentierte Beschichtungssystem

kann mit vorhandener Anlagentechnologie

erzeugt werden. Die Beschichtung ist

frei von Schwermetallen und wurde als universale

Umformhilfe konzipiert. Anwendungsbereiche finden

sich in der Automobilindustrie sowie bei Herstellern

von komplexen Bauteilen mit hohen Anforderungen

an die Oberfläche. Eine weltweite Vermarktung des

Produktes ist angestrebt.

ThyssenKrupp techforum 1 I 2011

/ 13

Hintergrund

Innovatives Design im Automobilbau führt zu Bauteilen mit komplexen

Geometrien, wodurch erhöhte Anforderungen an den Umformprozess

gestellt werden. Weiterhin bedingt der Einsatz von höher- und höchstfesten

Stählen, die aufgrund steigender Leichtbauanforderungen

immer mehr Anwendung finden, eine anspruchsvolle Verarbeitung

und fordert somit eine verbesserte Umformleistung des Werkstoffes

im Umformprozess. Die Wirtschaftlichkeit solcher Prozesse muss aber

dennoch gewährleistet bleiben.

Aus diesem Grund haben ThyssenKrupp Steel Europe und

Castrol Industrial gemeinsam ein patentiertes Beschichtungssystem

zur Vorbehandlung von oberflächenveredeltem Stahlband entwickelt.

Im Fokus stand die Entwicklung einer neuen schwermetallfreien

Vorbehandlung als Ersatz für die Vorphosphatierung. LubriTreat ® ist eine

ultradünne, organische Beschichtung, basierend auf Phosphorsäureestern,

welche die Umformeigenschaften des Stahls deutlich verbessert.

Ziel der Produktentwicklung ist es, durch den Einsatz von innovativen

Stählen in Kombination mit einer intelligenten Beschichtung dem

Kunden auch zukünftig ein optimales Produkt anbieten zu können.

Wirkungsweise von LubriTreat ®

Die umformverbessernde Wirkung wird durch Aufbringen der speziellen,

tribologisch aktiven Additive direkt auf die Stahlbandoberfläche

erreicht. Beim Umformprozess vermindert LubriTreat ® das Auftreten von

Kaltverschweißungen zwischen Werkzeug und Bauteil so effizient, dass

das Auftreten von Reißern nahezu vollständig vermieden wird.

Bisher werden in der Stahlwerksbeölung mit Prelubes und Hotmelts

Umformadditive eingesetzt, die – in der Ölmatrix eingebettet – beim

Beölungsprozess auf das Blech appliziert werden. Neben den

Umformadditiven enthalten Beölungen aber auch weitere Bestandteile,

wie zum Beispiel Korrosionsschutzadditive und Emulgatoren die unter-

schiedliche Funktionen erfüllen. Dabei konkurrieren alle funktionalen

Additive in der Beölung um eine direkte Anbindung an die Stahloberfläche

und können sich dadurch gegenseitig blockieren. Hinzu

kommt, dass Korrosionsschutzadditive eine stärkere Bindung zur

Stahloberfläche eingehen als die Umformadditive, sodass mögliche


14 / LubriTreat ® – Eine funktionale Nanobeschichtung für die Automobilindustrie

Zink

Bild 1 / Applikationsprozess von LubriTreat ®

Koordinationsstellen für diese Additive bereits belegt sind. Dieser

Nachteil wurde im Konzept bei der Entwicklung von LubriTreat ®

berücksichtigt. Bei der neuentwickelten Beschichtung werden die für

die Umformung notwendigen, tribologisch aktiven Additive zuerst auf

die Stahloberfläche aufgebracht und erst im zweiten Schritt erfolgt die

Beölung / Bilder 1 und 2 /.

Bisherige umformverbessernde Beschichtungen basieren üblicherweise

auf anorganischen Phosphatsystemen. Um hier eine optimale

Wirksamkeit zu erreichen, werden diese in sehr hohen Schichtdicken

von 1 - 2 µm aufgebracht. LubriTreat ® hingegen ist bereits mit einer

Schichtdicke von unter 100 nm wirksam. Die nanoskalige Ober-

flächenmodifikation durch LubriTreat ® kann mit hochauflösenden, oberflächenanalytischen

Methoden sichtbar gemacht werden. Die Schicht

weist sowohl amorphe als auch kristalline Bereiche auf / Bild 3 /.

Korrosionsschutzöl

LubriTreat ®

Prelube/Hotmelt

Bild 2 / Geordnete Konzentration der tribologisch aktiven Substanzen an

der Substratoberfläche (oben) im Vergleich zur statistischen Verteilung in

bisher üblichen Stahlwerksbeölungen, wie Prelube bzw. Hotmelt (unten)

Applikation von LubriTreat ® Umformung

Substrat

Substrat

Tribologisch aktive Substanzen

LubriTreat ®

Öl

Anwendung von LubriTreat ®

Die wasserbasierte und schwermetallfreie Beschichtung wird in einem

kontinuierlichen Prozess direkt nach der Verzinkung auf das Stahlband

aufgebracht. Ziel der Entwicklung war es, bereits vorhandene Anlagentechnologien

zu nutzen und somit die Prozesskosten gering zu halten.

/ Bild 4 / stellt schematisch die elektrolytische Beschichtungsanlage

EBA 3 von ThyssenKrupp Steel Europe dar. Hier erfolgt die Applikation

von LubriTreat ® mittels Spritzen/Abquetschen, an weiteren Anlagen

auch durch so genanntes ’Chemcoating’.

Neben der Anwendung bei elektrolytisch verzinkten Stählen zeichnet

sich LubriTreat ® auch durch seine hervorragende Wirkung auf feuerverzinkten

Oberflächen aus. Auf Erstere kommt bisher die Phosphatierung

zur Verbesserung des Umformverhaltens zum Einsatz. Dieses System

enthält jedoch im Gegensatz zu LubriTreat ® Schwermetalle, auf die

aufgrund von Umweltaspekten möglichst verzichtet werden sollte.

Feuerverzinkter Stahl mit LubriTreat ® Elektrolytisch verzinkter Stahl mit LubriTreat ®

Bild 3 / Mikroskopische Aufnahme von LubriTreat ® -beschichteten, verzinkten Oberflächen

ThyssenKrupp techforum 1 I 2011


Reinigung und Vorbehandlung

Einlauf

Bild 4 / Applikationszone von LubriTreat ® an der elektrolytischen Beschichtungsanlage EBA 3 von ThyssenKrupp Steel Europe

Die Eigenschaften von LubriTreat ® wurden in verschiedenen

Umformversuchen untersucht, wozu unter anderem der Streifenzugversuch

und so genannte Näpfchenzugversuche gehören. Die positive

Wirkung von LubriTreat ® zeigt sich in den untersuchten Prozessen

durch eine Verringerung der Reibung zwischen Werkzeug und Blech-

platine. In Streifenzugversuchen konnte mit LubriTreat ® nach-

gewiesen werden, dass bei Flächenpressungen von bis zu 80 MPa

kein Stick-Slip-Effekt auftritt. Stick-Slip-Effekte charakterisieren das

Verschweißen und anschließende Lösen dieser Kaltverschweißungen

durch hohe Zugkräfte während der Umformung von Blech im Werk-

zeug. Im realen Umformprozess im Automobilpresswerk kann

dies zum Reißen des Bauteiles führen. Der im / Bild 5 / gezeigte

Reibwertverlauf ist gleichmäßig über den kompletten Zieh-

bereich. Die Ziehgeschwindigkeit kann sogar auf 60 mm/min ver-

ringert werden, ohne dass ein Stick-Slip-Effekt auftritt. Diese lang-

ThyssenKrupp techforum 1 I 2011

applikation von lubriTreat ®

Verzinkung

LubriTreat ® – Eine funktionale Nanobeschichtung für die Automobilindustrie / 15

Nachbehandlung Auslauf

same Ziehgeschwindigkeit simuliert das Abbremsen des Stempels

kurz vor dem Umkehrpunkt und stellt eine besondere Heraus-

forderung dar.

Mit Hilfe von Näpfchenzugversuchen wird ein idealer Tiefziehprozess

simuliert. Hier kann neben dem Auftreten von Reißern des

Bauteiles auch die Neigung zur unerwünschten Faltenbildung untersucht

werden. Wie in / Bild 6 / gezeigt, wird das Prozessfenster beim

Tiefziehen bei beiden untersuchten Stahlsorten durch LubriTreat ®

deutlich vergrößert. Die Niederhalterkräfte F N können erheblich

gesteigert werden, ohne dass es zu Reißern kommt. In der Praxis

bedeutet dies, dass die Prozessparameter für das Umformen deutlich

flexibler gewählt werden können und somit ein Beitrag zur Prozessstabilität

geleistet wird.

Neben den Näpfchenzugversuchen mit einem 100-mm-Rund-

stempel wurden auch Großnapfversuche mit einem Stempeldurch-


16 / LubriTreat ® – Eine funktionale Nanobeschichtung für die Automobilindustrie

Reibwert [µ]

0,20

0,15

0,10

0,05

0

Referenz

20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80

Bild 5 / Streifenzugversuch: Reibwertverlauf mit und ohne LubriTreat ® Bild 6 / Tiefziehbereich ohne LubriTreat ® (blau) und Erweiterung durch LubriTreat ® (rot)

messer von 600 mm durchgeführt. Die Abmessungen dieses Großnapfes

entsprechen etwa einer Reserveradmulde eines Mittelklasse-

Pkw, die ein umformkritisches und tribologisch anspruchsvolles Bauteil

darstellt. In / Bild 7 / ist ein Vergleich der bisherigen kleinen

Näpfchen zu dem jetzt gezogenen Großnapf gezeigt. Auch bei diesen

Abpressversuchen traten keine Reißer auf und der Arbeitsbereich zum

Tiefziehen wurde erheblich erweitert. Neben der bisher beschriebenen

Kerneigenschaft, der stark verbesserten Umformleistung, werden

weitere hohe Anforderungen an neue Oberflächenbeschichtungen

gestellt. Viele, sehr unterschiedliche Produkteigenschaften müssen

erfüllt werden, bevor eine neue Beschichtung gerade in der Automobilindustrie

zum Einsatz kommt:

° Umweltfreundlichkeit

° Applizierbarkeit

° Schweißbarkeit

° Klebeignung

° Entfernbarkeit

° Lackhaftungs- und -Unterwanderungseigenschaften

° Filmstabilität

° Korrosionsschutz

° Phosphatiereignung

Referenz und LubriTreat ®

Flächenpressung [MPa]

Ø 600 mm

Bei den durchzuführenden Prüfungen dürfen durch LubriTreat ® keine

Ø 100 mm

Nachteile in den Produkteigenschaften entstehen. Verschiedene automobiltypische

Fügeverfahren, wie zum Beispiel das Widerstandspunktschweißen

und das Kleben, wurden untersucht. Diese Methoden

kommen unter anderen im Rohbauprozess bei der Herstellung von

Rohkarossen im Automobilbau zum Einsatz. Bei den bisher durchgeführten

Prüfungen zeigten sich keinerlei Einschränkungen. Beim Bild 7 / Größenvergleich Großnapf und Näpfchen

F N/kN

350

300

250

200

150

100

50

Referenz

BHZ 180 +

LubriTreat ®

130 %

0

1,7 1,8 1,9 2,0 2,1 2,2 2,3

Ziehverhältnis b

F N/kN

350

300

250

200

150

100

50

DX56D +

LubriTreat ®

225 %

Referenz

0

1,7 1,8 1,9 2,0 2,1 2,2 2,3

Ziehverhältnis b

ThyssenKrupp techforum 1 I 2011


Referenz mit LubriTreat ®

Referenz

Bild 8 / Mikroskopische Aufnahmen von LubriTreat ® -beschichteten, verzinkten Oberflächen nach der Phosphatierung

nachfolgenden Lackierprozess werden für das endgültige Lack-

erscheinungsbild verschiedene Lackschichten übereinander aufge-

bracht. Für die Haftung des gesamten Lackaufbaus ist die zuerst

aufgebrachte, automobiltypische Phosphatierung relevant, da diese

als Haftvermittler für die nachfolgende kathodische Tauchlackierung

gilt. Wie in / Bild 8 / zu erkennen ist, ist die Abscheidung und Ausbildung

der Phosphatschicht bei LubriTreat ® vergleichbar zum unbeschichteten

Referenzmaterial.

Auch das nachfolgend untersuchte Korrosionsverhalten im

lackierten Zustand ist als vergleichbar einzustufen. Dabei hat LubriTreat ®

keinen Einfluss auf die Lackhaftungs- und die Lackunterwanderungseigenschaften.

Insgesamt zeigen alle Kompatibilitätsprüfungen zum

nachfolgenden Kundenprozess ein positives Gesamtverhalten. Weitere

Langzeituntersuchungen und kundenspezifische Tests werden derzeit

durchgeführt.

Fazit und Ausblick

Aktuell befindet sich LubriTreat ® in der Pilotphase der Produktentwicklung

und wird an Produktionsanlagen der ThyssenKrupp Steel

Europe getestet. Hier stehen die Ermittlung der Prozessparameter und

die Umsetzung des Verfahrens in den laufenden Produktionsprozess

im Vordergrund. Begleitend dazu werden Methoden zur Qualitätskontrolle

des späteren Realprozesses entwickelt. Bei diesen betrieblichen

Applikationsversuchen wird Versuchsmaterial hergestellt, das

zu Testzwecken Kunden zur Verfügung gestellt werden kann.

Insgesamt können die stetig steigenden Anforderungen an die

Umformleistung des Werkstoffes durch den Einsatz von LubriTreat ®

abgedeckt werden. Des Weiteren bieten sich durch LubriTreat ®

Gestaltungsfreiräume zum Design innovativer und komplexer Bauteil-

ThyssenKrupp techforum 1 I 2011

LubriTreat ® – Eine funktionale Nanobeschichtung für die Automobilindustrie / 17

300 x 1.000 x 3.000 x

300 x 1.000 x 3.000 x

geometrien, die mit dem bisherigen Stand der Technik nur schwer

umsetzbar waren. Zusätzlich können bislang notwendige Zusatzbeölungen

im Umformprozess beim Kunden verringert und auf

schwermetallhaltige Beschichtungen verzichtet werden.

Nach der erfolgreichen Pilotphase wurde die Vermarktung von

LubriTreat ® in Europa auf verzinkten Stahloberflächen begonnen.

Eine weltweite Verfügbarkeit ist durch die Applikationsmöglichkeit von

LubriTreat ® in den neuen Produktionsstätten von ThyssenKrupp Steel

in den USA und China gegeben.


18 / Thema

Innovatives Blockgießen

für große Bauteile

ing. amBro carpinElli Production Manager Società delle fucine S.r.l. Terni/Italien

ing. rEnaTo palomBa Special Projects ThyssenKrupp acciai Speciali Terni S.p.a. Terni/Italien

Dr. anDrEa mignonE Marketing and Industrial Sales Manager Società delle fucine S.r.l. Terni/Italien

Erhitzen des Gussblocks im 600-t-Ofen

ThyssenKrupp techforum 1 I 2011


Durch den Bedarf des Marktes an immer größeren und schwereren Schmiedestücken,

wie z.B. Rotoren und Generatorwellen für thermonukleare Stromerzeugungsanlagen

mit Leistungen von bis zu 1.600 MW sowie bis zu 6 m breite Stützwalzen für Blechwalzwerke,

sah sich ThyssenKrupp Acciai Speciali Terni (AST) veranlasst, alle anlagen-

technischen Änderungen zu planen und vorzunehmen, die für die Herstellung von

Gussblöcken mit einem Gewicht von 500 t und mehr erforderlich sind. Mit diesen Gussblöcken

– zurzeit die größten, die bisher in Europa erschmolzen wurden – sind AST und

die Tochtergesellschaft Società delle Fucine (SdF) in der Lage, auf dem internationalen

Markt – neben Stützwalzen für Walzwerke – Rotorwellen und Generatoren für Kern- oder

konventionelle Anlagen mit einem Transportgewicht von bis zu 250 t zu liefern.

ThyssenKrupp techforum 1 I 2011

Anpassungen im Anlagenbau

AST und die Tochtergesellschaft Società delle Fucine sind

seit über einem Jahrhundert auf dem Markt für große

Schmiedestücke präsent und haben sich auf die Herstellung

von Produkten für die Stromerzeugung und für

die Industrie im Allgemeinen mit Gussblöcken von bis

zu 350 t spezialisiert. Da sich abzeichnete, dass diese

Blockgröße für die neuen Marktanforderungen nicht mehr

ausreicht, wurde im Jahr 2005 in Terni ein Projekt für die

Herstellung eines 500-t-Gussblocks gestartet. Um das

Projekt zu realisieren, musste zunächst abgeklärt werden,

ob bestimmte Grundvoraussetzungen erfüllt werden können:

° Detail- und Gesamtabmessungen der Anlagen,

° Handling des Equipments und der Produkte,

° neue Lasten, die auf die Strukturen ausgeübt werden,

° neue Anlagenausrüstungen und

° metallurgische Aspekte der Gieß- und Schmiedeprozesse.

Das Projekt wurde daher in mehrere Teilprojekte unterteilt, die

in vier große Gruppen zusammengefasst werden können:

1. Entwicklungen im Bereich der Stahlherstellung/

Stahlgießerei,

2. Entwicklungen im Schmiedebereich,

3. Ausrüstungen für die Bereiche Wärmebehandlung/

Vergütung und maschinelle Bearbeitung sowie

4. Ausrüstungen für die Logistik.

Im Bereich Stahlherstellung/Stahlgießerei wurde die Hebe-

kapazität der Strukturen von internen Transportwegen und

Innovatives Blockgießen für große Bauteile / 19

Deckenlaufkränen erhöht. Es wurden spezifische Vorrichtungen

für das Abziehen und Kippen des Gussblocks

realisiert. Die Installation einer neuen Vakuumpumpe

und einer Gießgrube, die für das Vakuumgießen eines

solchen Blocks geeignet ist, wurde notwendig, eine kleine

Gießerei für die Herstellung von Eisenformen wurde ein-

gerichtet. Im Schmiedebereich wurde die Hebekapazität

der Strukturen der Deckenlaufkräne erhöht. Ein neuer

600-t-Deckenlaufkran, ausgestattet mit 600-t-Greifern,

und ein neuer 250 t -700 t x m-Manipulator als Slave-

Einheit für die 12.600-t-Hydraulikpresse wurden installiert.

Im Bereich der Wärmebehandlung und maschinellen

Bearbeitung wurden – neben der notwendigen Verstär-

kungen der Strukturen – neue Deckenlaufkräne mit einer

maximalen Kapazität von bis zu 350 t, ein Schachtofen für

die Wärmebehandlung von großen Rotoren und Generator-

wellen sowie ein neuer Drehofen – in seiner Größe

einzigartig auf der Welt – für die differenzielle Wärme-

behandlung von großen Stützwalzen eingerichtet. Eine

neue 300-t-Schleifmaschine vervollständigte die Investi-

tionen in die maschinelle Bearbeitung. Im Logistikbereich

wurde das Gleis, das für den internen Transport des

Blocks von der Stahlgießerei zum Schmiedebereich

benutzt wurde, überprüft und zusammen mit dem zuge-

hörigen Transportwagen verstärkt.

In den folgenden Abschnitten werden die Haupt-

fertigungsschritte beschrieben, die notwendig sind, um

eine 230-t-Grobblechwalze herzustellen – ausgehend von

einem 500-t-Gussblock.


20 / Innovatives Blockgießen für große Bauteile

Design des Gussblocks

Der Entwurf und die Entwicklung der Gießform – durchgeführt

mit Hilfe einer FEM(Finite-Elemente-Methode)-

Analyse – hatten das Ziel, Seigerungsphänomene innerhalb

des Gussblockkörpers zu minimieren, vor allem die

Kohlenstoffseigerung, die in Gussblöcken dieser Größe

in erheblichem Maße vorkommt / Bild 1 /. Die Ergebnisse,

die an den ersten sechs Gussblöcken erzielt wurden, bestätigten

die Modellschätzung / Bild 2 /.

Auf Basis dieser Design-Parameter wurde in der

Gießerei von Terni die erste FN-500-Blockform hergestellt

/ Bild 3 /. Sie besteht aus sechs Hämatitgusseisen-

Komponenten mit einem Gesamtgewicht von ca. 550 t.

Besondere Merkmale dieser Blockform:

° Verhältnis Höhe H/Durchmesser D: 0,9 bis 1,2

° Kannelierte Innenseite mit 28 Flächen

° zwei Hohlräume im Gießaufsatz, um beim Schmelzen

die Hebezapfen zu erhalten, die für das Handling des

Gussblocks erforderlich sind

° an der Unterseite ausgebildet Zunge,

um das Handling im Schmelz- und Schmiedebetrieb

zu erleichtern

° Sicherheitsverstärkungsringe (aus Stahl), die an

Formenkomponenten des Körpers angebracht sind

° Anbringung eines speziellen Plattenschutzes am Boden,

um die Entformungsvorgänge zu erleichtern

C [%]

0,656

0,604

0,552

0,500

0,449

0,398

0,346

0,294

0,242

0,190

0,139

0,084

0,035

Bild 1 / FN-500-Erstarrung des Gussblocks und C-Seigerung

C [%]

0,7

Abweichung nach oben

0,6

0,5

Schmelzen-Durchschnitt

0,4

0,3

0,2

0,1

0

Abweichung nach unten

0 2 4 6 8

Block-Nr.

Bild 2 / FN 500 – tatsächliche Kohlenstoffseigerungswerte Bild 3 / FN-500-Blockform

Design der Stahlherstellung

Das Schmelzen erfolgt in einem 150-t-Lichtbogenofen,

wobei mit ausgewähltem Schrottmaterial begonnen wird,

um die Werte von Verunreinigungen, wie z.B. Arsen, Zinn,

Antimon, Kupfer etc., auf ein Minimum zu reduzieren.

In diesem Fall entspricht die zu erzeugende Stahlmenge

etwa 525 t, aufgeteilt in vier Gießpfannen, die eine max.

Kapazität von je 140 t haben.

Für die Raffination des Stahls ist ein spezielles Verfahren

entwickelt worden / Bild 4 /, um den Wasserstoffgehalt, der

ein kritischer Faktor bei großen Gussblöcken ist, zu ver-

ringern. Ferner werden für jede Gießpfanne die Raffinations-

vorgänge definiert, die in den Anlagen der Firma

ASEA sowie in den VD-Anlagen (Vacuum Degassing –

Vakuumentgasung) anzuwenden sind, um die Chemie,

Temperatur und Reinheit zu erreichen, die zum Gießen

notwendig sind.

Gießen des Blocks (bei AST)

Das Vakuumgießen des Blocks erfolgt in einem speziellen

Vakuumtank, der von seinen Abmessungen für

diesen Zweck ausgelegt ist (D: 7.000 mm, H: 9.000 mm)

/ Bild 5 /. Die Gießsequenz erfolgt unter Anwendung

eines bestimmten Verfahrens, das für das Gießen eines

Gussblocks aus vier Pfannen ausgelegt ist. Der in die Form

gegossene Stahl hat ein Gewicht von 500 t.

ThyssenKrupp techforum 1 I 2011


ThyssenKrupp techforum 1 I 2011

Bild 4 / Flussdiagramm Stahlherstellung und Raffination

Bild 5 / Vakuum-Gießgrube

ASEA-FN(Ladle Furnace-Pfannenofen)-Einheit

Innovatives Blockgießen für große Bauteile / 21

Pfanne 140 t Pfanne 140 t Pfanne 140 t Pfanne 140 t

VD-Einheit

Pfanne 140 t Pfanne 140 t Pfanne 140 t Pfanne 140 t


22 / Innovatives Blockgießen für große Bauteile

Bild 6 / Vertikales Herausheben des FN-500-Gussblocks Bild 7 / Laden des FN-500-Blocks auf einen Eisenbahnwaggon

ThyssenKrupp techforum 1 I 2011


% VCP [ Void Crushing Parameter ]

100

90

80

70

60

50

40

30

20

10

0

Bild 9 / Schmieden in der 12.600-t-Presse

mit 250 t -700 t x m-Manipulator

ThyssenKrupp techforum 1 I 2011

Vorgänge zum Abstreifen des Gussblocks (bei AST)

Etwa vier Tage nach dem Gießen kann der Gussblock

aus der Form genommen und in den Schmiedebereich

transportiert werden. Der Hebevorgang erfolgt durch zwei

Deckenlaufkräne, die mit einem Querhaupt verbunden

sind, mit Hilfe der beim Schmelzen erhaltenen Hebezapfen

⁄ Bild 6 /. Das Ablegen des Gussblocks für das nach-

folgende Aufladen auf einen Eisenbahnwaggon erfolgt in

der Grube mit einem Profil, das so konzipiert ist, dass der

Block optimal um 90° gekippt werden kann / Bild 7 /.

Schmieden (bei SdF)

Um eine Grobblechwalze herzustellen, wurden, für die

Planung des Schmiedezyklusses, mit dem der FN-500-

Gussblock bearbeitet werden soll, FEM-Simulationen angewandt

/ Bild 8 /. Die hauptsächlichen Schmiedeschritte

wurden festgelegt, um die notwendigen Temperaturen,

Gesenke und Kräfte zu definieren. Insbesondere wurde

Bild 8 / Simulation der Vorstreckprozesse an dem FN-500-Block

Z

X

Y

Z

X

Y

Bild 10 / Rohgeschmiedete Grobblechwalze – Gewicht 300 t

Innovatives Blockgießen für große Bauteile / 23

das Vorstrecken durch Schmieden verbessert, um dem

Produkt eine strukturelle Homogenität zu verleihen, die eine

gute Zähigkeit sowohl im Kern als auch an der Außenhaut

gewährleisten kann.

Der so definierte Zyklus besteht aus den folgenden Phasen,

die in der 12.600-t-Presse bei Temperaturen zwischen

1.200 °C und 1.250 °C stattfinden:

° Schmieden der oberen Zunge,

° Schmieden des Ballens und Abschneiden des

oberen und unteren Übermaßes (zwei Schmelzen),

° Vorstrecken und Bemaßung,

° Vorstrecken der Lagerzapfen und

° Fertigbearbeitung der Zapfen (2 Schmelzen) und

Abschneiden des Übermaßes.

Sobald der Gießaufsatz und die metallurgischen Abfälle von

der Ober- und Unterseite des Blocks entfernt worden sind,

hat die grobgeschmiedete Walze ein Gewicht von 300 t

/ Bilder 9 und 10 /.

Z

X

Y


24 / Innovatives Blockgießen für große Bauteile

Bild 11 / Erhitzung der Ballenoberfläche im neuen Drehofen

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ThyssenKrupp techforum 1 I 2011

Wärmebehandlungen (bei SdF)

Nach dem Schmieden wird die Stützwalze in einem konventionellen

Gasofen einer Normalisier- und Vergütungs-

Wärmebehandlung unterzogen, die notwendig ist, um dem

Zapfen und dem Kern des Walzenballens die erforderlichen

mechanischen Eigenschaften in Bezug auf Festigkeit und

Zähigkeit zu verleihen (30 - 40 HSc (Scleroscope Hardness –

Rücksprunghärte)). Nach einer geeigneten groben maschinellen

Bearbeitung wird die Walze in einem konventionellen

Wagenherdofen bei einer Temperatur von 600 °C so lange

vorgewärmt, bis die Homogenität des Kerns sicher gestellt

ist. Daraufhin gelangt sie in den neuen Drehofen, in dem

nur kurz die Ballenoberfläche bei einer Temperatur von

950 °C bis zu einer Tiefe von ca. 150 mm erhitzt wird

/ Bild 11 / und im Anschluss durch Besprühen mit Wasser

ein Abschrecken auf eine Temperatur von ca. 250 °C erfolgt

/ Bild 12 /. Daraufhin wird eine Vergütungsbehandlung (im

Allgemeinen zweifach), um den erforderlichen Härtegrad

auf dem Ballen zu erreichen (52-60 HSc). Mit dem neuen

Drehofen ist SdF in der Lage, gleichmäßige Härtegrade

in den verschiedenen Ballenbereichen innerhalb einer

Toleranz von 3 HSc und einer Vergütungstiefe von 100 mm

zu erreichen.

Maschinelle Endbearbeitung (bei SdF)

Nach Überprüfung der erforderlichen mechanischen Eigen-

schaften, wird das Schmiedestück der maschinellen

Endbearbeitung unterzogen. Dabei wird die Walze auf die

Bild 12 / Abkühlung der Ballenoberfläche in der

Rotations-Abschreckmaschine

Innovatives Blockgießen für große Bauteile / 25

vom Kunden gewünschte endgültige Größe gebracht, um

ein installationsfertiges Produkt zu liefern, das ohne weitere

Bearbeitung an seinem Zielstandort eingebaut werden kann.

Die maschinelle Endbearbeitung besteht aus folgenden

Hauptschritten:

° Fertigbearbeitung des Ballens und Vorfinishing der

Zapfen auf der 300-t-Horizontaldrehbank / Bild 13 /,

° Schleifen auf der neuen spezifischen

300-t-Schleifmaschine / Bild 14 /,

° verschiedene Fräsarbeiten an den Zapfen

und Anbringung von Zubehörteilen,

° Tests und

° Verpackung und Transport / Bild 15 /.

Fazit

Mit der Fertigstellung dieses Projektes haben die Entwick-

lungsabteilungen bei AST und SdF die besten Voraussetzungen

geschaffen, sich bei der Produktion von

Schmiedestücken hervorragend auf dem Weltmarkt zu

positionieren. Durch die Herstellung eines 500-t-Gussblocks

im Stahlwerk von AST in Terni, Italien, beweist

Società delle Fucine seine Stärken auf dem Markt für große

Schmiedestücke. Bis heute sind zehn Gussblöcke – sowohl

für Rotorwellen als auch für Grobblechwalzen – mit optimalen

Qualitätsergebnissen hergestellt worden. Dieser Erfolg ist

die Basis für weitere Entwicklungen im Bereich der großen

Schmiedestücke mit hohen Qualitätsstandards.

Bild 13 / Fertigbearbeitung des Ballens und Vorfinishing der Zapfen

auf der 300-t-Horizontaldrehbank

Bild 14 / Schleifbearbeitung Bild 15 / Verpackung und Transport der 230-t-Grobblechwalze


26 / Optimierung von Aluminium- und Metalloberflächen mittels Clean Coil Konzept

Gereinigtes Clean Coil

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Optimierung von Aluminium-

und Metalloberflächen

mittels Clean Coil Konzept

ralf ScHmiD Geschäftsbereichsleiter ThyssenKrupp Metallcenter ThyssenKrupp metalServ gmbH Wörth

Dipl.-WirT.-ing. (fH) STEfan cHriST Leiter Strategischer Vertrieb ThyssenKrupp Metallcenter ThyssenKrupp metalServ gmbH Wörth

Dipl.-WirT.-ing. (fH) BaSTian BrunoW Key Account Manager ThyssenKrupp Metallcenter ThyssenKrupp metalServ gmbH Wörth

Beim Produktionsprozess von Walzprodukten werden

bedingt durch die verschiedenen Walzschritte, das Glühen

und weitere Fertigungsprozesse die Metalloberflächen mit

Schmutzpartikeln, Metallspänen sowie diversen Walzölen

verunreinigt. Diese Verunreinigungen lagern sich in den Poren

und Zwischenräumen der Metalloberfläche ab und können

bei weiteren Bearbeitungsschritten, wie zum Beispiel Kleben,

Stanzen, Schweißen/Löten und Umformen, zu Qualitäts-

problemen führen. Der vom ThyssenKrupp Metallcenter

entwickelte Clean Coil Prozess befreit das Material mit Hilfe

von speziellen Reinigungsbürsten und einer Reinigungsemulsion

schonend und kratzerfrei von Schmutz und Abrieb.

Anschließend kann ein ’Finish’ als dosierte Beölung oder

als trockenes Material erfolgen.

Poren

Bild 1 / Aufbau Aluminiumoberfläche im Querschnitt

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Mischoxid

Deckschicht

Sperrschicht

Unregelmäßigkeiten

im Aluminium

Aluminium

/ 27

Ausgangssituation

Die technischen Lieferbedingungen bezogen auf die Mate-

rialoberfläche von Aluminium sind nicht eindeutig

definiert. Von Seiten des Kunden wird eine saubere und

glatte Aluminiumoberfläche gefordert, welches einen

subjektiven Anspruch darstellt. Jedoch werden während

des Produktionsprozesses von Walzprodukten die Metall-

oberflächen mit Schmutzpartikeln, Metallspänen und

diversen Walzölen verunreinigt. Die Anforderungen und

Ausführungen verhalten sich konträr zueinander und

können die nachgelagerte Produktionskette negativ be-

einflussen. Der subjektiv wahrgenommene Oberflächen-

zustand unterscheidet sich hier faktisch von der objektiven

Oberflächenbeschaffenheit. Die analysierbare Ober-

fläche nach dem Walz- und Schneidprozess besteht beim

Werkstoff Aluminium aus einer Ansammlung von Walzölen,

Mischoxiden, Grafiten und Metallspänen, die in einer unter-

schiedlich starken Ausprägung vorkommen, sich vermischen

und in verschiedenen Schichten aufbauen.

Die Metalloberfläche nach dem Walzprozess, das so

genannte ’Mill Finish’, wird durch den Umformungsprozess

aufgeraut und bietet somit einen guten Haftgrund für

die beschriebenen Verunreinigungen. Ein typischer Rauheitswert

liegt bei der ’Mill Finish’ Oberfläche im Bereich

von R a ≈ 0,3 µm mit einer Gesamthöhe der Profiltiefe von

R t ≈ 2,0 µm. Die Rauheitswerte sind durch die Textur der

Walzen bedingt und können je nach Walzenschliff variieren.

Basierend auf dem Walzprozess und der Walzentextur verläuft

die Oberflächenstruktur parallel zur Walzrichtung. Die

oben angegebenen Rauheitswerte beziehen sich auf eine

senkrechte Messung zur Walzrichtung. Bei einer parallelen

Messung zur Walzrichtung liegt der arithmetische, gemittelte

Rauheitswert von R a ≤ 0,15 µm niedriger.

Die Aluminiumoberfläche selbst begünstigt die Haftgrundlage

zusätzlich. Diese setzt sich aus einer 1-2 nm

dicken Sperrschicht (Al 2O 3) zwischen dem Basismaterial

und der 5 -10 nm dicken Deckschicht (Al(OH) 3 + Al 2O 3)

zusammen. Beim Aluminium ist die Sperrschicht konstant

und fast porenfrei geschlossen. Diese bietet einen

Schutz vor Korrosion sowie gegen diverse Chemikalien.

Hingegen ist die Deckschicht, die sich bei der so genannten

Selbstpassivierung im sofortigen Kontakt mit Sauerstoff

bildet, porös und weist kleine Unregelmäßigkeiten sowie

Mikroporen auf. In dieser Oberflächenstruktur / Bild 1 /


28 / Optimierung von Aluminium- und Metalloberflächen mittels Clean Coil Konzept

lagern sich die produktionsbedingten Verunreinigungen

zusätzlich ab. Aus diesem Grunde müssen je nach Bedarf

bei verschiedenen Produktionsprozessen aufwendige Reinigungsprozesse

durchgeführt werden, damit der für den

jeweiligen Arbeitsgang erforderliche Oberflächenzustand

hergestellt werden kann. Als Beispiel kann ein verarbeitungsspezifisches

Öl dienen, das sich erst nach erfolgter

Reinigung (Abtragung von Schmutz und anderen

Ölen) flächendeckend auf dem Material absetzen kann.

Vor allem bei technischen Prozessen, wie Kleben, Stanzen,

Schweißen/Löten, Umformen und Beschichten, ist somit

eine reine Oberfläche zwingend erforderlich, um hochwertig

und fehlerfrei produzieren zu können. Die Erfahrung

hat gezeigt, dass viele Kunden diesen Prozess sehr auf-

wendig praktizieren und sogar zusätzliche interne Prozesse

anwenden, um die Beschaffenheit des Materials auf die

eigenen Bedürfnisse anzupassen. Jedoch erzielt diese

Reinigung nur bedingt den gewünschten Erfolg, da nicht

alle Schmutzpartikel entfernt werden können. Die Folge

ist ein erhöhter Ausschuss- und Fehleranteil in der Produktion,

der auf eine verunreinigte Oberfläche / Bild 2 /

oder nicht genügend bzw. falsch geschmierte Oberfläche

zurückzuführen ist. Nicht selten führen verunreinigte Ober-

flächen auch zu Reklamationen mit entsprechenden

Kosten. Als Reklamationsgründe werden unter anderem

Streifenbildung auf der Oberfläche, zu geringe bzw. zu

viel Oberflächenbeölung sowie generelle Verunreinigungen

genannt. An diesem Punkt setzt das Clean Coil

Konzept an, um den Produktionsprozess beim Kunden

effizienter zu gestalten sowie Reklamationen zu verhindern

und Nach-laufkosten einzusparen.

Umsetzung

In mehreren Entwicklungsstufen wurde ein Konzept

entwickelt, das mit Hilfe eines definierten Prozesses zu-

nächst die verunreinigte Oberfläche reinigt und anschlie-

ßend je nach Bedarf eine trockene Oberfläche oder eine

Oberfläche mit definierter Beölung realisiert. Dieses

Konzept schließt die Diskrepanz zwischen den von den

Werken gelieferten Werkstoffen und den vom Verbraucher

benötigten Oberflächenzustand.

Bild 2 / Beispiel einer veschmutzten Aluminiumoberfläche

Bild 3 / Simulation des Spül- und Abbürstvorganges im Reinigungsprozess

Im ersten Schritt wird das Material in die Reinigungsan-

lage eingefahren. Hierbei garantieren Fließstoffwalzen eine

Oberflächen schonende Bearbeitung / Bilder 3 und 4 /.

Im Inneren der Anlage wird zunächst durch Spritzdüsen

ein vollsynthetisches Reinigungsöl mit Additiven beidseitig

auf die Materialoberfläche aufgetragen. Dieses besitzt bei

40 °C eine Viskosität von < 1,0 mm 2/s und ist rückstands-

frei verflüchtigend. Aufgrund der niedrigen Viskosität

sorgt das aufgetragene Reinigungsöl dafür, dass sich die

Verunreinigungen und Öle aus den Poren und von der

Materialoberfläche lösen. Um einen optimalen Reinigungs-

effekt zu erzielen, wird dieser Prozess durch zusätzliche

Bürsten unterstützt. Das Abbürsten entfernt vor allem

größere Schmutzpartikel sowie Metallspäne und erhöht

somit die Reinigungswirkung des Reinigungsöles. Die

Bürsten aus Perlon rotieren dabei entgegengesetzt zur

Laufrichtung. Ein weiterer positiver Effekt wird hier zudem

durch die Walzrichtung bei ’Mill Finish’ Oberflächen

hervorgerufen. Durch die parallel zur Laufrichtung ver-

laufende Oberflächenstruktur lösen die Bürsten effektiver

Verunreinigungen aus der Oberfläche. Der Großteil der

gelösten Öle und Schmutzpartikel wird durch das Gegen-

laufbürsten zurückgeschleudert und somit beim ersten

Besprühungsvorgang von der Oberfläche gespült. Das

abgetragene und verunreinigte Reinigungsöl wird durch

Abfangbecken aufgefangen und über ein Filterungssystem

dem Kreislauf wieder zugeführt.

Nach dem Abbürsten erfolgt ein zweiter Spülvorgang,

der verbliebene Partikel aus der Oberfläche spült. Nach

dem Spülvorgang wird das aufgetragene Reinigungsöl

mit Fließstoffwalzen von der Materialoberfläche, bei einem

Druck von 7 MPa abgequetscht. Durch die Fließstoffwalzen

wird das Material schonend getrocknet, ohne dass eine

Gefüge- oder Zustandsveränderung im Material einsetzt

/ Bild 5 /. Lediglich ein dünner Film des Reinigungsöles

ThyssenKrupp techforum 1 I 2011


Bild 4 / Simulation der gelösten Verunreinigungen

im Reinigungsprozess (detailliert)

verbleibt auf der Oberfläche und innerhalb der Poren. Dieser

verbleibende Film wird nach dem Abquetschen durch

Druckluft entfernt. Durch die rückstandsfreie Verflüchtigung

und die Einwirkung der Druckluft, ist die jetzt entstehende

Materialoberfläche frei von Schmutzpartikeln und

Ölen. Diese Oberfläche kann nun als trocken und sauber

bezeichnet werden / Bild 6 /.

Dieser trockene Materialzustand ist für die meisten

Applikationen nicht direkt einsetzbar. Aufgrund der fehlen-

den Schmierstoffe ist die Materialoberfläche äußerst

anfällig für Beschädigungen, z.B. durch Kratzerbildung.

Mittels einer Beölungsanlage wird fein vernebelter

Schmierstoff auf die trockene Oberfläche aufgetragen.

Durch das Besprühen wird eine komplette und gleichmäßige

Benetzung der Oberfläche erwirkt. Je nach Kunden-

anforderungen können der Schmierstoff und auch die

Auftragsmenge von 0,25 bis 7,2 g/m 2 variieren. Als Stan-

Bild 6 / Beispielhaftes Ergebnis – links vor, rechts nach erfolgter Reinigung

ThyssenKrupp techforum 1 I 2011

Optimierung von Aluminium- und Metalloberflächen mittels Clean Coil Konzept / 29

Bild 5 / Simulation des Trocknungsprozesses mit Fließstoffwalzen

dardschmiermittel wird eine auf niedrigviskosen Kohlen-

wasserstoffen basierende Emulsion auf die Material-

oberfläche aufgetragen. Diese ist für viele weitere Bearbeitungsprozesse

einsetzbar und auch mit vielen Ölen

und Schmierstoffen kompatibel. Des Weiteren schützt der

Schmierstoff das Aluminium vor Korrosion.

Ausblick

Das Clean Coil Konzept bietet ein großes Kosteneinsparungs-

und Effizienzsteigerungspotenzial bei diversen

Kundengruppen. So können zum Beispiel beim Stanzprozess

aufwendige Reinigungsprozesse beim Kunden

vorab entfallen und die Rüstzeit minimiert werden.

Darüber hinaus wird hierzu eine höhere Prozesssicherheit

sichergestellt und die Reklamations- und Fehlerquote ver-

ringert. Das Clean Coil Konzept schließt diese Diskrepanz

zwischen den von den Walzwerken gelieferten Materialoberflächen

und den hierzu konträren subjektiven Anforderungen

der Kunden. Mit dem Clean Coil Konzept ist es

nun möglich, den Standard „trocken und sauber“ zu defi-

nieren und den Kundenanforderungen zu genügen.

Das Konzept wurde auf die Bedürfnisse der verarbei-

tenden Aluminiumindustrie hin entwickelt. Jedoch ist es

auch universell für weitere Bereiche und Metalloberflächen

einsetzbar. So ist es durchaus möglich, Materialien wie

Stahl, Edelstahl, Buntmetalle, Titan und weitere Nicht-

eisen-Metalle zu reinigen und definiert zu beölen. Die

flexible Auslegung des Clean Coil Konzeptes ermöglicht

es, die Reinigungsöle sowie die Schmierstoffe zu variieren

und genau auf die jeweiligen Materialanforderungen

und Bedürfnisse der weiteren Verarbeitungsprozesse

hin abzustimmen.


30 /

Modulares Retrofitting-Konzept

Effizienzsteigerung und Ressourcenschonung

in der Energieerzeugung

Dr.-ing. ulricH ScHaBErg Leiter Inbetriebnahme ThyssenKrupp Xervon Energy gmbH Duisburg

Dipl.-ing. annEgrET Baum Projektleiterin ThyssenKrupp Xervon Energy gmbH Duisburg

Dipl.-ing. marTin HöBlEr Projektleiter ThyssenKrupp Xervon Energy gmbH Duisburg

Mittelkalorisches Kraftwerk (MKK) der swb Erzeugung GmbH & Co. KG, Bremen (Quelle: swb/Mac-Fotoservice)

ThyssenKrupp techforum 1 I 2011


ThyssenKrupp techforum 1 I 2011

Modulares Retrofitting-Konzept – Effizienzsteigerung und Ressourcenschonung in der Energieerzeugung / 31

Betreiber von Industrieanlagen agieren im Umfeld

ständig wandelnder Anforderungen wirtschaft-

licher, technischer und politischer Art, wobei die

Treibhausgas-Emission und der damit verbundene

Zertifikatehandel zunehmend an Bedeutung gewinnen.

In diesem Kontext stellt die Effizienzsteigerung und

Schadstoffminimierung an Bestandsanlagen für die

Betreiber eine Alternative zu Neuanlagen dar. Mit

dem modularen Baukasten, der die verschiedenen

Ertüchtigungsmöglichkeiten aufzeigt und der nahezu

keinen Kundenwunsch nach Effizienzsteigerung und

Emissionsreduzierung offen lässt, hat ThyssenKrupp

Xervon Energy einen Realisierungsrahmen geschaffen,

mit dem Betreiber das Optimierungspotenzial ihrer

bestehenden Anlagen ausloten und in einem verbindlichen

Kosten- und Terminrahmen umsetzen können.

Handlungsrahmen der Energieerzeugung

Wohin der technisch interessierte Betrachter auch blickt, alle heute

erprobten bzw. in Erprobung befindlichen Technologien zur Energieerzeugung

haben ihre Grenzen. Und je nach politischer und gesellschaftlicher

Sichtweise werden Chancen und Risiken völlig unterschiedlich

bewertet. Betreibern von Industrieanlagen ist es heute

kaum noch möglich, für die Refinanzierungszeiträume ihrer Anlagen

verlässliche Annahmen über Brennstoffpreise, zulässige Emissionen

oder die Entsorgungswege von Reststoffen zu treffen. Langfristiges

Denken und Handeln muss daher immer öfter durch flexibles

Reagieren ersetzt werden. Ein schwieriges Unterfangen, wenn es sich –

wie bei Energieerzeugungsanlagen – um Großinvestitionen mit zum Teil

mehrjährigen Realisierungszeiträumen handelt.

Industrieanlagen, zu denen die kommunalen Energieerzeugungs-

und Reststoffentsorgungsbetriebe gehören, aber vor allen Dingen auch

das produzierende Gewerbe, wie beispielsweise die Lebensmittel-,

Kosmetik-, Arzneimittel-, Möbel- oder auch Papierherstellung, beziehen

ihren Bedarf an Strom und Prozesswärme aus eigenen Energie-

erzeugungsanlagen, um so zugunsten der Endverbraucher kostengünstig

und damit wettbewerbsfähig produzieren zu können. Anlagen-


32 / Modulares Retrofitting-Konzept – Effizienzsteigerung und Ressourcenschonung in der Energieerzeugung

„Magisches Dreieck“ in der Kraftwerksrehabilitierung

betreiber sehen sich daher dauerhaft der Frage

gegenüber gestellt, ob ihr gegenwärtiges Energie-

erzeugungskonzept noch tragbar ist: sei es, dass der bisher

eingesetzte Brennstoff sich verteuert oder verknappt,

Emissionsgrenzwerte verschärft werden, es Bedarfsände-

rungen bei der Nutzenergie gibt oder schließlich die

Gestehungskosten der produzierten Energie zu hoch werden.

Hinzu kommt, dass Märkte, Technologien, aber auch

öffentliche Wahrnehmungen und gesellschaftliche

Ansprüche sich in einem ständigen Wandel befinden.

Hier haben die Medien einen entscheidenden Einfluss. Als

Beispiele sind hier die politischen Diskussionen zu fossil

befeuerten Kraftwerken, Müllheizkraftwerken oder auch die

Bevorzugung von Kraftwärmekopplungen (KWK) gegenüber

herkömmlichen Kraftwerkstechnologien zu nennen.

Auch politische Entscheidungen, wie beispielsweise hinsichtlich

der Laufzeitverlängerungen von Atomkraftwerken,

könnten möglicherweise über Einflüsse auf die Strombörsen

die Wirtschaftlichkeit des eigenen Unternehmens in Frage

stellen. Spätestens wenn der über die Strombörse angebotene

Strom preiswerter ist als der Strom, der über die

Technische Parameter

Effizienzsteigerung/

Ressourcenschonung

Wirtschaftliche Parameter Politische Parameter

Bild 1 / Handlungsrahmen der Betreiber

f

Applikations-

Know-how

E

Leittechnik

(2 Module)

a

Feuerungstechnik

(4 Module)

Retrofitting-Module

D

Verbrennungsluft-

Versorgung

(2 Module)

B

Kesselkonstruktion

(2 Module)

c

Wasser-Dampf-

Kreislauf

(3 Module)

Bild 2 / Werkzeugkasten: Cluster mit 13 Optimierungsmodulen der Kraftwerksrehabilitierung (Retrofitting)

eigene Anlage oder auch kommunale Anlagen selber

erzeugt wird, bedeutet dies das „Aus“ für diese Anlagen

und das oft trotz hoher Wirkungsgrade oder modernster

Technik zum Schutz der Umwelt. Derartige Umstände haben

den Markt für Anlagenbauer und industrielle Kunden gleichermaßen

stark verändert. Erschwerend kommt hinzu,

dass in der Regel kein eigenes technisch fachkundiges

Planungspersonal mehr vorgehalten wird, das mit Lösungs-

und Verbesserungsvorschlägen zur bestehenden Anlage

auf anstehende Änderungen reagieren kann.

Im Folgenden werden technische und wirtschaftliche

Gegebenheiten, Tendenzen, Probleme, denen sich Betreiber

von industriellen Anlagen auch zukünftig gegenübergestellt

sehen, und das modulare Retrofitting-Konzept der Xervon

Energy beschrieben / Bild 1 /.

These 1: modernisierung geht vor neubau

Vor die Frage gestellt, ob man mit einer Neuinvestition

oder einer Änderung der Bestandsanlagen reagieren sollte,

wenden sich Betreiber immer häufiger an Planungsbüros

und Berater. Mit dem modularen Baukasten, der die

verschiedenen Ertüchtigungsmöglichkeiten aufzeigt und

nahezu keinen Kundenwunsch nach Effizienzsteigerung

und Emissionsreduzierung offen lässt, hat ThyssenKrupp

Xervon Energy eine Entscheidungshilfe geschaffen, die

für die Betreiber und ihre Berater relevante Aussagen

zu Optimierungspotenzialen ihrer bestehenden Anlagen

macht, einschließlich der damit in Verbindung stehenden

Kosten und Stillstandszeiten / Bild 2 /.

Die Vorteile für den Betreiber sind offensichtlich:

Umbaumaßnahmen lassen sich nicht nur schneller reali-

sieren als Neubauten, da beispielsweise Bauteile mit langen

Lieferzeiten (Schmiedeteile, Turbinen) mehrheitlich weiter

verwendet werden. Vielmehr reduziert sich durch die Wieder-

verwendung der notwendige Investitionsbedarf deutlich

gegenüber Neubauten. Dies wird klar, wenn man bedenkt,

dass der gesamte Baukörper sowie die Elektro-, Mess-,

Steuer- und Regelungstechnik zusammen etwa ebenso

viel kosten, wie die maschinentechnische Ausrüstung.

ThyssenKrupp techforum 1 I 2011


Bild 3 / Einsatzbereiche der Optimierungsmodule

Ein weiterer entscheidender Vorteil einer Umbau- oder

Retrofit-Maßnahme liegt jedoch in dem wesentlich einfacheren

Genehmigungsverfahren. Bei Umbaumaßnahmen

kann sich der Betreiber auf den Bestandsschutz seiner alten

Anlagen berufen, wodurch sich das Genehmigungsverfahren

wesentlich vereinfacht. So kann beispielsweise auf eine

Beteiligung der Öffentlichkeit im Rahmen eines Anhörungsverfahrens

verzichtet werden.

Alles in allem erhöht eine Anlagenmodernisierung

die Reaktionszeiten der Betreiber deutlich, was dem

angestrebten Ziel eines flexiblen Reagierens deutlich

näher kommt, als die Planung, Genehmigung und

Errichtung eines vollkommen neuen Kraftwerksblockes.

Zu einem ähnlichen Ergebnis kommt auch eine Studie des

Umweltbundesamtes aus dem Jahre 2009 („Klimaschutz

und Versorgungssicherheit“), wonach die Flexibilität am

Strommarkt auch mit Alternativen zum Kraftwerksneubau,

wie dem beschriebenen Retrofit, zu erreichen ist.

These 2: modularisierung – ein Erfolgskonzept nicht

nur für den neubau

Wie bereits erläutert, müssen Anlagenbetreiber auf sich

ständig wandelnde Anforderungen reagieren, wobei der

ThyssenKrupp techforum 1 I 2011

Modulares Retrofitting-Konzept – Effizienzsteigerung und Ressourcenschonung in der Energieerzeugung / 33

f Applikations-Know-how c Wasser-Dampf-Kreislauf E

Leittechnik

D Verbrennungsluft-Versorgung B Kesselkonstruktion a Feuerungstechnik

Treibhausgas-Emission und dem damit verbundenen

Zertifikatehandel immer größere Bedeutung zukommen.

Kraftwerke gehören nun einmal zu den größten CO 2-

Emittenten und stehen damit im Fokus der Öffentlichkeit.

In diesem Kontext sind Effizienzsteigerung und Schadstoffminimierung

an Bestandsanlagen für die Betreiber unumgänglich.

Hier nun greifen die Konzepte von ThyssenKrupp

Xervon Energy / Bilder 3 und 4 /.

Als Anlagenbauer entwickelt ThyssenKrupp Xervon

Energy nicht nur innovative Kraftwerkstechnik, sondern

verfügt auch über das notwendige Know-how, das man

für die Ertüchtigung von Altanlagen benötigt. Die zum

Einsatz kommenden Retrofit-Maßnahmen sind im Wesent-

lichen abhängig von den gegebenen Randbedingungen.

Es gibt unterschiedlichste limitierende Faktoren und

dementsprechend auch keine Universallösung. Daraus

ergibt sich die Aufgabe, die geeigneten Möglichkeiten

aufzudecken, um zugeschnittene Lösungen zu erarbeiten,

die den Kundenwunsch nach Effizienzsteigerung und

Emissionsreduzierung unter Berücksichtigung der spezifischen

Standortbedingungen seiner Anlage erfüllt. Die

dabei zum Einsatz kommende Technik muss nicht nur

leistungsfähig sein; eine erfolgreiche Erprobung sollte


34 / Modulares Retrofitting-Konzept – Effizienzsteigerung und Ressourcenschonung in der Energieerzeugung

feuerungstechnik Beschreibung des modules Know-how Xervon Energy als maßnahme bereits

effizienzsteigernd

Luft- und wassergekühlte Abgestimmte Feuerungsmodule für Einbringung ° Alleinstellungsmerkmal gegeben Verbrennungsroste und schadstoffarme Verbrennung

unterschiedlichster Ersatzbrennstoffe

mehr als 20 Patente

°

°

ü

zahlreiche ausgeführte Anlagen, inkl. 15 Neubauten

Stößelentschlacker Austragsorgan für feste Verbrennungsrückstände ° patentiert

° an zahlreichen Anlagen nachgerüstet

Gasturbinenabgasbrenner Brenner für flüssige und gasförmige Brennstoffe

aller Art, der als Sauerstoffträger sowohl Frischluft

als auch Gasturbinenabgas nutzen kann

bereits 10 Anlagen auf diesen Brennertyp umgerüstet

°

Asche-Schmelz-Zyklon Nachbehandlung fester Verbrennungsrückstände

° patentiert zur energetischen Nutzung und Erzeugung

umweltfreundlicher Reststoffe

2 Modellanlagen im Industriepark Hoechst

°

ü

Kesselkonstruktion

Heizflächen-Cladding + dazugehörige

beschichtungsfreundliche Konstruktion

Auftragsschweißverfahren für Werkstatt und

Baustelle, um korrosionsgefährdete Kesselbauteile

Alleinstellungsmerkmal gegeben

°

° zahlreiche Patente

mit Sonderstählen zu schützen, sowie beschichtungs-

° Auftragsschweißen (Cladding):

freundliche Ausführungsmerkmale von Heizflächen eigenständiges Geschäftsfeld am Standort

Kesselreinigungssystem Online-Reinigung von Strahlungsheizflächen mittels

° in Zusammenarbeit mit Kooperationspartner Wasserstrahlen in Waste-to-Energy-Anlagen (Fa. Clyde-Bergemann), der diverse Schutzrechte hält

ü

Wasser-Dampf-Kreislauf

Kondensat-Wärmeverschiebung Kondensat-/Speisewasser-Wärmeverschiebung,

° umfassende Betriebserfahrungen um eine geringere Eco-Eintrittstemperatur und damit

eine geringere Abgastemperatur zu erreichen

mehr als 20 ausgeführte Anlagen

°

ü

Platzsparende Konvektiv-Heizflächen Beim Umbau von Dampferzeugern auf Gastubinen-

° umfassende Betriebserfahrungen Abgasnutzung muss bei bestehendem Bauvolumen

dem erhöhten konvektiven Wärmeangebot Rechnung

getragen werden. Dazu dienen speziell entwickelte

und leicht nachrüstbare Rippenrohr-Wärmetauscher.

mehr als 20 ausgeführte Anlagen

°

ü

Abwärmenutzung der Rostkühlung Thermodynamische Verbesserung des Dampf-

° umfassende Betriebserfahrungen Kreisprozesses durch Einbindung der bei der

Verbrennungsrostkühlung abgeführten Wärme

mehr als 20 ausgeführte Anlagen

°

ü

verbrennungsluftversorgung

Mischkammer Mischung von heißem Gasturbinenabgas mit kalter

Zusatzfrischluft bei Vermeidung von Temperatursträhnen

und geringem Strömungsdruckverlust

umfassende Betriebserfahrungen

°

° mehr als 10 ausgeführte Anlagen

Innenisolierung Schutz des Abgaskanals hinter Gasturbine vor zu hohen

° umfassende Erfahrungen über Tochterunternehmen

Temperaturen durch Aufbringen einer Innenisolierung S. Schlüssler Feuerfestbau, Bispingen

leittechnik

Feuerleistungsregelung Optimale Zusammenführung von Brennstoff und Luft ° Patent in Anmeldung ü

unter festgelegten Temperaturbedingungen für hohe

Umsatzgrade und geringe Schadstoffemissionen

Strahlungspyrometer Berührungslose Brennkammer-Temperaturmessung zur

realistischen Beurteilung des Verbrennungsprozesses

und Eingangsgröße für die Feuerleistungsregelung

Patent in Anmeldung

°

Bild 4 / Die 13 Module des Retrofitting-Konzeptes im Überblick

HKW Würzburg

Bei gleicher Energieerzeugung ca. 50.000 t weniger CO2

400

300

200

100

0

354

89

280

119

354

161

84

-48

71

HKW Klein Wanzleben

Bei gleicher Energieerzeugung 30.000 t weniger CO2

sowie zusätzlich 40.000 MWh elektrische Energie

Bild 5 / Effizienzsteigerung und Emissionsreduzierung durch Modernisierung der Heizkraftwerke Würzburg und Klein Wanzleben

400

300

200

100

0

368

103

0

368

-30

+40 73

40

Brennstoffwärme [GWh]

Elektrische Arbeit [GWh]

NOx [t/a]

CO2 [kt/a]

ThyssenKrupp techforum 1 I 2011


Gesamtemissionen

Total Available

Market (TAM)

Served Available

Market (SAM)

ThyssenKrupp techforum 1 I 2011

vorzugsweise über bereits ausgeführte Referenzanlagen

nachweisbar sein. Um diesen Ansprüchen gerecht zu

werden, wurden Anlagenkomponenten entwickelt, die größtenteils

patentiert und in Form von „Tuning-Bausteinen"

einer Modularisierung unterworfen sind, die unter anderem

zur CO 2-Reduzierung weitgehend frei kombinierbar in

Bestandsanlagen eingesetzt werden können.

Dieser innovative Baukasten aus optimierten

Komponenten mit nachgewiesener Effizienz bietet sowohl

dem Betreiber als auch ThyssenKrupp Xervon Energy als

Anlagenbauer Vorteile:

1. flexible Lösungsfindung,

2. technische wie kommerzielle Kalkulierbarkeit,

3. in Referenzanlagen nachweisbar erprobt und

teilweise weiter optimierbar.

Die vertrieblichen Vorteile daraus erklären sich von selbst.

Was dies in Zahlen bedeutet zeigt / Bild 5 /.

Mit dem modularen Retrofitting eröffnet sich für

ThyssenKrupp Xervon Energy in Deutschland ein relevanter

Markt, der CO 2-Emissionen von bisher 100 Mio t/a ent-

spricht, die durch das Modulare Retrofitting-Konzept auf

50 Mio t/a reduziert werden können / Bild 6 /.

Öffentliche

Energieversorgung

46 %

1.005*

20 %

200

50 %

100

Sonstige

1 %

16 %

11 %

6 %

* Treibhausgas-Emissionen Deutschland 2006 in Mio t CO2e

Bild 6 / Erreichbares Marktpotenzial ausgedrückt in CO 2-Reduzierung

Modulares Retrofitting-Konzept – Effizienzsteigerung und Ressourcenschonung in der Energieerzeugung / 35

Verkehr

Industrielle

Prozesse

Landwirtschaft

Kraftwerke der verar-

beitenden Industrie und

lokale Energieerzeuger

Erreichbarer Markt

in Deutschland

These 3: fossile Brennstoffe werden auch mittelfristig

die Hauptlast der Energieerzeugung tragen

Die allgegenwärtige Diskussion über erneuerbare Energien

ebenso wie Medienberichte über neu installierte Anlagen,

die mit Windkraft, Sonne oder Erdwärme arbeiten, versperren

jedoch oft den Blick auf die Realitäten. Es wird häufig

übersehen, dass diese Anlagen für den öffentlichen wie

für den industriellen Bedarf derzeit nur geringe elektrische

Leistungen bereitstellen, dafür aber sehr viel Platz oder

umbauten Raum benötigen. Man spricht hier von der so

genannten geringen Leistungsdichte (elektrische Leistung

geteilt durch Anlagenfläche bzw. Bauvolumen), die den

Technologien zur Nutzung erneuerbarer Energien nach

derzeitigem Stand der Entwicklung eigen ist. Konventionelle

Energieerzeugungsanlagen haben darüber hinaus – trotz

all ihrer sonstigen Probleme, die sich für die Umwelt

daraus ergeben – wesentlich höhere Leistungsdichten und

können damit unter vertretbarem bautechnischen wie

wirtschaftlichen Aufwand die immens großen elektrischen

Leistungen bereitstellen, die zur öffentlichen Versorgung

oder für industrielle Produktionsprozesse benötigt werden.

Wollte man diesen Bedarf allein durch erneuerbare Energien

decken, so käme man zu absurden Anlagengrößen. Diese

physikalischen Grenzen schränken die Verbreitung erneuerbarer

Energien gegenwärtig noch ein.

Diesem Problem begegnet man – wo immer möglich –

mit dezentraler Energieerzeugung und -nutzung sowie

durch Energiesparmaßnahmen. Dennoch stellen die nicht

berechenbare Verfügbarkeit von Sonne und Wind, die

für eine industrielle Produktion ohnehin unabdingbar ist,

neben den geringen Leistungsdichten das größte Hindernis

beim Ausbau der regenerativen Energien dar. Das heißt im

Umkehrschluss, dass die Bedeutung der konventionellen

Techniken in den nächsten Jahrzehnten nicht sinken wird.

Ganz im Gegenteil: die Stromerzeugung auf Kohlebasis

wird nach Schätzung der Internationalen Energieagentur

bis zum Jahr 2030 stark expandieren. Werden derzeit welt-

weit 40 % des Stroms in Kohlekraftwerken erzeugt, so

dürften es in 20 Jahren 45 % des dann deutlich höheren

Strombedarfes sein, was eine Steigerung der verstromten

Kohlemengen auf etwa 7,5 Mrd t/a zur Folge hat. Aufgrund

dessen wird sich der technologische Fokus des

Kraftwerksanlagenbaus in absehbarer Zeit nicht wesentlich

ändern. CO 2-emittierende Technologien werden auch weiter-

hin den Markt bestimmen, damit bleiben Schadstoffreduktion

und Effizienzsteigerung bis auf weiteres die

zentralen Forschungsschwerpunkte.


36 / Modulares Retrofitting-Konzept – Effizienzsteigerung und Ressourcenschonung in der Energieerzeugung

These 4: Energiespeicherung – das Schlüsselthema der

zukünftigen wirtschaftlichen Energienutzung

Ein allgegenwärtiges Thema, das sowohl regenerative

Energiegewinnungen als auch Gas- und Dampfkraftwerke

(GuD) mit Kraft-Wärmekopplung betrifft, ist die Frage nach

geeigneten Energiespeichern, in denen sich Strom und/

oder Wärme aus Überschusszeiten zwischenspeichern

lassen. Während im ersten Fall die unterschiedlichen

Erzeugungszeiten bedient werden müssen, sind es im

zweiten Fall die unterschiedlichen Nachfragezeiten, die es

abzupuffern gilt.

Unter der Leitung von RWE Power, die den Startschuss

zur Entwicklung eines Hochtemperaturspeichers für GuD-

Anlagen gaben, hat ThyssenKrupp Xervon Energy sich

diesem Thema mit starken Kooperationspartnern, wie

der Paul-Wurth-Gruppe und dem Institut für Technische

Thermodynamik des Deutschen Zentrums für Luft und

Raumfahrt (DLR), angenommen. Das Aufheizen (Laden)

des Hochtemperaturwärmespeichers erfolgt durch die heißen

Gasturbinenabgase, die ihre Wärmeenergie an die

im Speicher befindlichen Speichermaterialien (Feststoffe)

abgeben. Beim Entladen (Nachtmodus) strömt kalte Luft

durch den aufgeheizten Speicher, erwärmt sich dadurch

und steht als Wärmeträger für die Dampf-/Stromerzeugung

zur Verfügung. Durch die Integration eines solchen

Speichers können die Erzeugung und die Bereitstellung von

Wärme und Strom in den Kraftwerken zeitlich entkoppelt

werden, wodurch die Effizienz von GuD-Anlagen im Kraft-

Wärme-Kopplungs-Betrieb weiter gesteigert wird. Da diese

Anlagen zunehmend nach Wärme- und nicht mehr nach

Strombedarf betrieben werden, müssen sie zum Zweck der

Wärmebereitstellung derzeit auch nachts – und damit zu

Zeiten geringer Stromanforderungen – in Betrieb sein. Mit

Wärmespeichern ausgestattet kann die während des Tages

über den Verbraucherbedarf hinaus produzierte Wärme

hingegen zwischengespeichert und nachts bei abgeschalteter

Gasturbine als Prozess- oder Fernwärme wieder abgegeben

werden / Bilder 7 und 8 /.

Durch die so erzielten Freiheitsgrade in der Fahrweise

von kraftwärmegekoppelten GuD-Anlagen lassen sich

Brennstoffausnutzungsgrade weiter verbessern sowie CO 2-

Emissionen reduzieren. Dies verdeutlicht den Stellenwert

der Entwicklung derartiger heute noch nicht verfügbarer

Hochtemperaturspeicher für eine zukünftige, nachhaltige

und dem Klimaschutz gerecht werdende Energieversorgung.

These 5: Symbiose aus erneuerbaren Energien mit

konventioneller Technik am Beispiel der Solarthermie

Angeregt durch die Erkenntnis, dass die zuvor erläuterten

Wärmespeicher sowohl im Bereich der konventionellen

KWK-Anlagen als auch im Bereich der regenerativen

Energieerzeugung ihren Einsatz finden, haben Firmen wie

ThyssenKrupp Xervon Energy sich mit der Frage auseinandergesetzt,

ob Elemente beider Technologiesäulen nicht in

völlig neuen Verschaltungen als so genannte Hybridanlagen

miteinander gekoppelt werden sollten. Nachteile der einen

wie der anderen Technologie – geringe Energiedichten

einerseits und CO 2-Emissionen anderseits – könnten so

ausgeglichen werden.

Die zur Strom- und Dampferzeugung notwendigen

Komponenten, wie beispielsweise Dampferzeuger und

Dampfturbinen, stehen im Wesentlichen bereits aus der

herkömmlichen Kraftwerkstechnologie zur Verfügung. Statt

jedoch wie bisher Verbrennungstechnologien zur Wärme-

gewinnung in konventionellen Kraftwerksprozessen ein-

zusetzen, stellen sich Forschung und Entwicklung der

Herausforderung, gebündelte Sonnenenergie zu verwenden

/ Bilder 9 und 10 /. Denkbar ist auch eine Kombination

von Gasturbinen und Sonnenenergie in Hybridanlagen,

sodass auch Jahreszeiten mit wenig Sonnenstunden oder

aber Schlechtwetterzeiten überbrückt werden können.

Die Forschungen und Entwicklungen von Anlagen zur

Energieerzeugung auf Basis von erneuerbaren Energien, die

an Leistungsdichten heranreichen, die den herkömmlichen

Kraftwerkstechniken eigen sind, sind vielfältig. Die Tatsache,

dass die herkömmlichen Technologien zur Deckung des

wachsenden Strombedarfes auch zukünftig unverzichtbar

sind, lässt ThyssenKrupp Xervon Energy als Anlagenbauer

nicht die Augen vor der dringenden Notwendigkeit verschließen,

nach Alternativlösungen zu suchen, diese zu

entwickeln und zu erforschen.

Zusammenfassung und Ausblick

Da es Betreibern von Industrieanlagen heute kaum noch

möglich ist, für die Refinanzierungszeiträume ihrer Anlagen

gültige Annahmen über Brennstoffpreise, zulässige

Emissionen oder die Entsorgungswege von Reststoffen

zu machen, muss langfristiges Denken und Handeln

daher immer öfter durch flexibles Reagieren ersetzt werden.

Ein schwieriges Unterfangen, wenn es sich, wie bei

Energieerzeugungsanlagen, um Großinvestitionen mit zum

Teil mehrjährigen Realisierungszeiträumen handelt. Der

innovative Baukasten von ThyssenKrupp Xervon Energy

aus optimierten Komponenten mit nachgewiesener Effizienz

bietet sowohl dem Betreiber als auch dem Anlagenbauer

die Vorteile einer flexiblen Lösungsfindung sowie technischer

und kommerzieller Kalkulierbarkeiten. Allein das

Beispiel des Einsparpotenziales an CO 2-Emissionen von

rund 50 Mio Tonnen pro Jahr, das mit dem modularen

Retrofitting-Konzept an Bestandsanlagen erreicht werden

kann, zeigt den diesbezüglichen Markt in Deutschland heute

und zukünftig auf.

Das in diesem Artikel vorgestellte modulare Retrofitting-

Konzept wurde mit dem ThyssenKrupp Sonderinnovationspreis

„Energie und Umwelt“ 2009 ausgezeichnet.

ThyssenKrupp techforum 1 I 2011


GuD-Kraftwerk mit Dampflieferung und Wärmespeicher in Zeiten

hoher Stromerlöse (Peak)

Gasturbinen

Abhitzekessel für Solarkraftwerk (Tagmodus)

Konzentrierte

Solarstrahlung

Heliostatenfeld

Receiver

Thermischer

Speicher

ThyssenKrupp techforum 1 I 2011

Dampferzeuger

Thermischer

Speicher

Heißluft

Rückgeführte Luft

Dampfturbosatz

Dampf

Dampferzeuger

Modulares Retrofitting-Konzept – Effizienzsteigerung und Ressourcenschonung in der Energieerzeugung / 37

Dampfversorgung

des Kunden

Bild 7 / Tagbetrieb einer GuD-Anlage in Kraftwärmekopplung – Zwischenspeicherung der

über den Verbraucherbedarf hinaus produzierten Wärme

Turbine mit

Generator

Konzentratorsystem Heißgaskreis Wasser-Dampf-Kreis

GuD-Kraftwerk mit Dampflieferung und Wärmespeicher in Zeiten

niedriger Stromerlöse (Off-Peak)

Gasturbinen

Bild 8 / Nachtbetrieb einer GuD Anlage in Kraftwärmekopplung – Wärmeabgabe

aus dem Zwischenspeicher in den Abhitzekessel bei abgeschalteter Gasturbine

Abhitzekessel für Solarkraftwerk (Nachtmodus)

Heliostatenfeld

Bild 9 / Hybridkraftwerk im Tagbetrieb – Sonnenenergie ersetzt fossile Brennstoffe Bild 10 / Hybridkraftwerk im Nachtbetrieb – Wärmeabgabe aus dem Zwischenspeicher

in den Abhitzekessel

Receiver

Thermischer

Speicher

Dampferzeuger

Thermischer

Speicher

Heißluft

Rückgeführte Luft

Dampfturbosatz

Dampfversorgung

des Kunden

Dampf

Dampferzeuger

Turbine mit

Generator

Konzentratorsystem Heißgaskreis Wasser-Dampf-Kreis


38 / Thema

Die neue energieeffiziente Aufzugsgeneration von ThyssenKrupp

ThyssenKrupp techforum 1 I 2011


LOFT

Eine Umwelt-Initiative von ThyssenKrupp Aufzüge

alEXanDEr KEllEr Geschäftsführer ThyssenKrupp aufzüge gmbH Stuttgart

STEpHan WirTH Geschäftsführer gWH aufzüge gmbH Himmelstadt

DirK linnE Niederlassungsleiter Mainz ThyssenKrupp aufzüge gmbH Mainz

nicola DangErfiElD Leiterin Verkaufsförderung Marketing Kommunikation ThyssenKrupp aufzüge gmbH Stuttgart

ThyssenKrupp techforum 1 I 2011

Große Aufgaben bewältigt man oft nur in

vielen kleinen Schritten: Die LOFT-Umwelt-

Initiative von ThyssenKrupp Aufzüge leistet

mit energiesparenden und zukunftsorientierten

Produkten einen entscheidenden Beitrag

zum Klima- und Umweltschutz – sowohl für

Neuanlagen als auch für Modernisierungen.

Hintergrund

Die Konzentration der Treibhausgase in der Atmosphäre

steigt. Vor allem der Kohlendioxid-Anteil hat sich durch die

Industrialisierung in den letzten 150 Jahren immer mehr

verstärkt. Er erhöht sich jeden Tag durch Wirtschaft,

Haushalte sowie Verkehr und unsere Umwelt heizt sich

dadurch unnatürlich schnell auf. Ziel muss es deshalb sein,

aktiv Energie einzusparen und die CO 2-Emissionen zu ver-

ringern. Die LOFT-Umwelt-Initiative von ThyssenKrupp

Aufzüge trägt ein gutes Stück dazu bei, den CO 2-Ausstoß

zu reduzieren. Denn das Produktkonzept senkt den Energieverbrauch

von Aufzugsanlagen und Fahrtreppen deutlich –

ohne jegliche Komfort- und Leistungseinbußen. Fahrtreppen

und Aufzüge können dank LOFT energiesparender, umweltgerechter

und klimaschonender betrieben werden. Dadurch

LOFT - Schachtentrauchung

LOFT - Leuchtmittel

LOFT - Steuerungs- und

Lichtabschaltung

LOFT - Lichtabschaltung

/ 39

entsteht eine Win-Win-Situation: Während die Kunden

Strom, Energie und Kosten sparen, sichert ThyssenKrupp

Aufzüge nachhaltig die Zukunft unserer Umwelt.

Ein durchgängiges Maßnahmenkonzept

Die Umwelt-Initiative basiert auf der Entwicklung einer

durchgängigen und umweltfreundlichen Produktpalette.

Dabei zeichnet sich jedes einzelne Produkt durch seine her-

vorragende Leistungsfähigkeit, erstaunliche Anpassungsfähigkeit,

Hochwertigkeit sowie durch eine ökologische und

ökonomische Rentabilität aus. Eine erfolgreiche Produktstrategie,

die sich dreifach auszahlt: für uns, unsere Umwelt

wie auch für Betreiber und Investoren. Mögliche Einsatz-

bereiche für die LOFT-Produktpalette / Bild 1 / sind dabei

nicht nur öffentliche Einrichtungen, wie z.B. Krankenhäuser,

sondern auch Bürogebäude / Bild 2 /, Hotels, Eigen-

tümergemeinschaften, Wohnungsbaugesellschaften und

viele weitere mehr. Für einen detaillierten Einblick werden

die einzelnen LOFT-Produkte im Folgenden ausführlich

vorgestellt.

Lichtabschaltung

Licht ist wichtig. Deshalb muss es aber nicht Tag

und Nacht brennen. Wird ein Aufzug nicht benutzt, ist die

Kabinenbeleuchtung häufig eingeschaltet, z.B. nachts in

Wohnhäusern oder an Sonn- und Feiertagen in Büro-

gebäuden. Die LOFT-Lichtabschaltung hilft hier, Energie zu

sparen. Wird der Aufzug beispielsweise über einen definierten

LOFT - Fahrtreppenbeleuchtung

LOFT - Fahrtreppensteuerung

Bild 1 / LOFT - Produktübersicht

LOFT - Energieeffizienz

für die Zukunft


40 / LOFT – Eine Umwelt-Initiative von ThyssenKrupp Aufzüge

Zeitraum nicht genutzt, schaltet sich das Kabinenlicht systematisch

ab. Mit Anforderung des Aufzuges schaltet sich

das Licht sofort wieder ein. In Abhängigkeit vom Aufzugs-

typ kann die Abschaltung entweder durch Software-

Programmierung oder durch Nachrüstung externer Schalter,

wie z.B. Bewegungsmelder, Zeitschaltuhren und oder

Schlüsselschalter, erreicht werden. Bei Glasaufzügen ist

die vollständige Abschaltung der Kabinenbeleuchtung

dagegen oft nicht erwünscht. Hier gibt es die Möglichkeit,

einen von zwei Beleuchtungsstromkreisen abzuschalten.

Sind die Leuchtmittel für eine gedimmte Ansteuerung

geeignet, ist dies neben dem geteilten Betrieb eine weitere

Möglichkeit, den Energieverbrauch zu reduzieren. Damit

das häufige Ein- und Ausschalten nicht zur Lebensdauer-

Verkürzung der Leuchtmittel führt, empfiehlt sich der

Einsatz moderner LED-Leuchtmittel.

Ein durchschnittlicher Aufzug verbraucht 60 % seiner

Energie im Stillstand, ein Großteil davon wird durch die

Kabinenbeleuchtung verursacht. Allein deshalb ist der

Einsatz der LOFT-Lichtabschaltung eine lohnende Alternative

– wie das folgende Rechenbeispiel beweist.

Beispielrechnung zur gesamtökologischen

Bedeutung

° 9,5 Stunden Ausschaltung entsprechen einer Strom-

ersparnis von 1,52 kWh.

° 1,52 kWh Strom pro Tag bei ca. 600.000 Aufzügen

ergeben für Deutschland eine Gesamtersparnis von

912.000 kWh.

° Bei der Erzeugung von 1 kWh Strom werden 0,58 kg

CO 2 freigesetzt.

° So errechnet sich aus 912.000 kWh eine CO 2-Ersparnis

von 528.960 kg an einem einzigen Tag oder 193.000 t

CO 2 pro Jahr in Deutschland, d.h.:

° 193.000 t CO 2 im Jahr werden durch eine

automatische Lichtabschaltung bei 600.000 Aufzügen

in Deutschland eingespart.

Steuerungs- und Lichtabschaltung

Werden Aufzüge nicht genutzt, sollten sie auch abgeschaltet

sein. Es gibt immer Zeiten, in denen ein Aufzug selten

oder gar nicht genutzt wird, z.B. nachts. Mit der LOFT-

Steuerungs- und Lichtabschaltung kann viel Strom gespart

werden / Bild 3 /. Sobald der Aufzug eine definierte Zeit

nicht genutzt wird, werden die Energieverbraucher Steue-

rung und Kabinenbeleuchtung abgeschaltet / Bild 4 /.

Nach der Ausführung aller anstehenden Fahrten, wird die

Abschaltung über einen Schlüsselschalter oder eine

Zeitschaltuhr aktiviert. Befindet sich der Aufzug nicht

in seiner Abschaltehaltestelle, wird die Fahrt dorthin

automatisch eingeleitet. Hier werden das Fahrkorblicht

und danach bei geschlossener Tür die Steuerung und

die Tür-Lichtschranke abgeschaltet. Die Tür-Auf-Taster

bleiben weiterhin aktiv. Zukünftig wird die Abschaltung

über eine intelligente Software realisiert. Der Vorteil dabei

ist, dass sich die Anlagen-Steuerung bei Nichtnutzung

selbst in den Stand-by-Modus (Energiesparphase) versetzen

kann. Sie erkennt in diesem Modus, wenn der Aufzug

angefordert wird und ist sofort betriebsbereit.

Bild 2 / Moderne Bürogebäude als Einsatzbereiche der Loft-Produktpalette

Einsparpotenzial Auslastung

2h 4h 6h 8h 10h 12h 14h 16h 18h 20h 22h 24h

Bild 3 / Einsparpotenzial

ThyssenKrupp techforum 1 I 2011


ThyssenKrupp techforum 1 I 2011

Leuchtmittel

Moderne Leuchtmittel sind Energiesparwunder. LOFT-

Leuchtmittel sparen gegenüber herkömmlichen Glühbirnen

und Leuchtstoffröhren bis zu 90 % Energie, erreichen eine

bessere Lichtausbeute und können problemlos ersetzt

werden. Während herkömmliche Leuchtmittel rund 90 %

der Energie als Wärme abgeben, unter Ausschaltvorgängen

leiden und schnell an Leuchtkraft verlieren, sind moderne

Energiesparleuchten deutlich unempfindlicher und leistungsstärker.

Allerdings lohnt sich das Abschalten von

Energiesparleuchten erst, wenn sie länger als 15 min ausgeschaltet

bleiben, denn häufige Einschaltvorgänge benötigen

mehr Energie als der Dauerbetrieb. Die wirtschaftlich

und ökologisch beste Wahl sind LED-Leuchten (Light

Emitting Diode – Leuchten mit Leuchtdioden) / Bild 5 /.

Bild 4 / Gedimmte Aufzugsbeleuchtung in Zeiten geringer Nutzung

Glühlampen Neonlicht LED LED-Röhre

5 % 20 % 60 % 96 %

Bild 5 / Lichtausbeute unterschiedlicher Leuchtkörper

LOFT – Eine Umwelt-Initiative von ThyssenKrupp Aufzüge / 41

Sie wandeln Energie nahezu ausschließlich in Licht um, sind

äußerst sparsam, langlebig sowie unempfindlich gegen

Erschütterungen und häufiges Ein- und Ausschalten. Da

sie in zahlreichen Lichtfarben erhältlich sind, sind sie auch

unter ästhetischen Gesichtspunkten vielseitig einsetzbar.

Schachtentrauchung

Schachtentlüftung sowie -entrauchung / Bild 6 / spart

Energie und schützt das Klima. Durch vorgeschriebene

Schachtentlüftungs- und Entrauchungsöffnungen wird

Wärmeenergie verschwendet. Die warme Gebäudeluft entweicht

permanent. So gelangt die mit Heizenergie erzeugte

Wärme über die Aufzugstüren in den Schacht und entweicht

aus der permanenten Öffnung. Die Energieein-

sparverordnung 2007 (EnEV) und die LOFT-Schachtent-

rauchung setzen diesem Wärmeverlust ein Ende. Denn

die in nahezu allen Aufzugsschächten leicht nachrüstbare

LOFT-Schachtentrauchung erfüllt die gesetzlichen

Forderungen des Brandschutzes und der Energieeinsparung

gleichermaßen. Die brandschutztechnisch erforderlichen

Rauchabzugsöffnungen werden durch eine motor-betriebene

Entrauchungsklappe oder Lichtkuppel geschlossen.

Die Dichtigkeit des Gebäudes ist genauso gewährleistet wie

der Abzug heißer, giftiger Brandgase. Im Brandfall werden

Klappe oder Kuppel automatisch geöffnet.

Fahrtreppenbeleuchtung

Mehr Leistung ohne Energieverlust: Die meisten herkömmlichen

Fahrtreppen und Fahrsteige besitzen eine Sockel-

band- und/oder Balustradenbeleuchtung. Als Leuchtmittel

werden Kaltkathoden-Leuchtstoffröhren (KKL) verwendet.

Ein hoher Energieverbrauch, eine relativ geringe Lebens-

dauer und ein ungleichmäßiges Erscheinungsbild sind für

diese Art von Leuchtmitteln kenzeichnend. Mit der neuen

LOFT-LED-Fahrtreppenbeleuchtung / Bild 7 / kann problem-

los auf ein modernes, energiesparendes Beleuchtungssystem

umgerüstet werden. So wird der Energieverbrauch

um bis zu 40 % reduziert. Dabei ist die mittlere Lebensdauer

der LOFT-LED-Fahrtreppenbeleuchtung ca. fünfmal höher

als bei herkömmlichen KKL-Röhren. Die von letzteren

bekannte Abschwächung der Leuchtintensität gegen Ende

der Lebensdauer tritt bei der LED-Beleuchtung ebenfalls

nicht auf. Darüber hinaus ist die Leuchtintensität der optisch

hochwertigeren LEDs konstant höher.

Fahrtreppensteuerung

Fahrtreppen und Fahrsteige mit geringer Auslastung

müssen nicht durchgängig in Betrieb sein und dabei un-

nötig Energie verbrauchen. Deshalb bietet ThyssenKrupp

Aufzüge auch Anlagen mit intermittierendem Betrieb an.

Die LOFT-Fahrtreppensteuerung ermöglicht zudem die

einfache, nachträgliche Umrüstung auf intermittierenden

Betrieb. Moderne Radarsensoren erkennen, wenn sich ein

Benutzer nähert und starten die Fahrtreppe rechtzeitig.

Aufwendige Änderungen der Steuerung, das Anbringen von

Umgehungsbügeln mit Lichtschranken sowie Kontaktmatten

gehören der Vergangenheit an. Der Radarsensor kann in-

dividuell eingestellt werden. So ist gewährleistet, dass

die Anlage rechtzeitig ihre volle Betriebsgeschwindigkeit


42 / LOFT – Eine Umwelt-Initiative von ThyssenKrupp Aufzüge

erreicht. Dabei kann zwischen sich entfernenden, darauf

zugehenden und vorbeigehenden Personen unterschieden

werden. Die Anlage setzt sich nur dann in Betrieb, wenn

sich Personen zielgerichtet nähern. Ampelanlagen signali-

sieren dem Benutzer die Betriebsbereitschaft und zeigen die

Fahrtrichtung an. Nachdem der Benutzer das Stufenband

verlassen hat, läuft die Anlage entsprechend der eingestellten

Nachlaufzeit.

Energieeffizienz für die Zukunft

Die angebotenen Aufzugskomponenten gelten – den Weltmarkt

betreffend – als führend. Denn sie gehören hin-

sichtlich der Klima- und Umweltschonung zu den höchstentwickelten.

Die Antriebsaggregate verbrauchen wesentlich

weniger Energie als noch vor Jahren. Bei Seilantrieben

bietet sich besonders der Austausch gegen sparsame,

frequenzgeregelte Antriebe mit höherem Wirkungsgrad

an. In die Jahre gekommene Hydraulikantriebe profitieren

ungemein vom Einsatz einer modernen Frequenzregelung

und einer neuen Unterölpumpe. Auch der Energieverbrauch

der Kabinentüren, bei denen üblicherweise der Türantrieb

permanent unter Strom steht, kann durch den Einbau

momentenloser Antriebe gesenkt werden. Hinzu kommen

der Austausch und die Neujustierung von Schienen und

Umlenkrollen, was für einen geringeren Reibungswiderstand

und Energieverbrauch des ganzen Systems sorgt. Im

Rahmen einer Modernisierung werden so deutliche Energie-

und Kosteneinsparungen erzielt.

Bild 6 / Blick in einen modernen Aufzugschacht

Umweltschutz als Unternehmensgrundsatz

Umweltorientiertes Management ist ein wesentliches,

strategisches Ziel von ThyssenKrupp Aufzüge. Die unternehmerischen

Entscheidungen werden hinsichtlich ihrer

Auswirkungen auf die Umwelt eingehend überprüft.

Umwelt-Belastungen sollen weitestgehend durch die

Tätigkeiten und Produkte vermieden sowie der Verbrauch

natürlicher Ressourcen auf ein Minimum reduziert werden.

Bereits bei der Konzeption und Konstruktion neuer

Produkte wird darauf geachtet, dass sie möglichst

sparsam im Energieverbrauch sind und nach Ablauf

der Lebensdauer entsorgt werden können. In der Produktion,

bei der Montage und im Service wird möglichst

sparsam mit dem Einsatz von Energie und Rohstoffen

umgegangen, umweltschädliche Auswirkungen werden so

gering wie möglich gehalten, Abfälle vermieden oder umwelt-

gerecht entsorgt.

Die Leitgedanken der LOFT-Umwelt-Initiative lassen sich

wie folgt zusammenfassen:

° Umweltschutz als wichtiges Unternehmensziel,

° vorausschauende Verantwortung,

° Entwicklung sparsamer, umweltschonender

Produkte sowie

° umweltverträglicher Produktionsverfahren.

ThyssenKrupp techforum 1 I 2011


Bild 7 / LOFT-LED-Fahrtreppenbeleuchtung

ThyssenKrupp techforum 1 I 2011

LOFT – Eine Umwelt-Initiative von ThyssenKrupp Aufzüge / 43


44 /

STAR process ®

Ein neues hochproduktives Verfahren

zur Propylenherstellung

Dr. rEr. naT. HElmuT gEHrKE Abteilungsleiter Labor/Technikum uhde gmbH Dortmund

Dipl.-ing. maX HEinriTz-aDrian Abteilungsleiter Verfahrenstechnik uhde gmbH Dortmund

Dipl.-ing. rolf ScHWaSS Chemieingenieur uhde gmbH Dortmund

Dr.-ing. SaScHa WEnzEl Abteilungsleiter Technologie-Service uhde gmbH Dortmund

STAR process ® -Anlage bei der Egyptian Propylene & Polypropylene Company (EPP) in Port Said/Ägypten

ThyssenKrupp techforum 1 I 2011


ThyssenKrupp techforum 1 I 2011

STAR process ® – Ein neues hochproduktives Verfahren zur Propylenherstellung / 45

Der STAR process ® ist das weltweit erste

kommerziell eingesetzte Verfahren zur Er-

zeugung von Propylen, das auf dem Prinzip

der oxidativen Dehydrierung von Propan

beruht. Propylen ist eines der wesentlichen

petrochemischen Basisprodukte mit nach-

haltig hohen Wachstumsraten, das vor allem

zur weiteren Verarbeitung bei der Erzeugung

von hochwertigen Kunststoffprodukten –

z.B. Polypropylen – verwendet wird. Die

oxidative Dehydrierung im STAR process ®

ist eine Neuentwicklung, die von Uhde mit

Hilfe einer eigens hierfür gebauten Pilotanlage

durchgeführt wurde. Erstmalig

wurde sie großtechnisch in einer kommerziellen

Anlage zur jährlichen Erzeugung von

350.000 t Propylen mit anschließender

Weiterverarbeitung zu Polypropylen für den

Kunden Egyptian Propylene & Polypropylene

Company (EPP) in Port Said/Ägypten,

schlüsselfertig umgesetzt.


46 / STAR process ® – Ein neues hochproduktives Verfahren zur Propylenherstellung

Marksituation Propylen

Propylen (systematischer Name: Propen) ist, neben Ethylen,

eines der wesentlichen petrochemischen Basisprodukte

mit vielseitigen Verwertungsmöglichkeiten. Es wird zur Er-

zeugung von wichtigen Monomeren, Polymeren, Zwischenprodukten

und Chemikalien verwendet. Der weitaus größte

Anteil des weltweit erzeugten Propylens wird in der Weiter-

verarbeitung zu Polypropylen (PP) verwertet. Die hervorragenden

Produkteigenschaften und damit vielfältigen,

sich immer weiter entwickelnden Einsatzfelder von Poly-

propylen, z.B. in der Verpackungsindustrie, in der Teppichindustrie

und bei der Produktion von Hartschalen-Koffern,

sorgen für gleichbleibend hohe Wachstumsraten des

weltweiten Polypropylen-Marktes. Dies ist somit auch die

wesentliche Triebkraft für das nachhaltig hohe Wachstum

des weltweiten Propylenbedarfes. Weitere wichtige

Folgeprodukte des Propylens sind das Propylenoxid (PO),

Cumol, Acrylnitril (ACN), Acrylsäure und Oxo-Alkohole.

Propylenoxid wird u.a. zur Herstellung von Schaumstoffen

oder Harzen verwendet. Aus Cumol wird Phenol erzeugt, aus

dem wiederum Polymere produziert werden. Acrylnitril ist

ein Monomer zur Herstellung von Polyacrylynitril oder

komplexen Polymeren; Acrylsäure wird bei der Herstellung

von Polyacrylsäuren, z.B. für Superadsorber, eingesetzt.

Im Jahre 2009 wurden weltweit ca. 75 Millionen t

Propylen verbraucht. Der größte Teil des Propylens wurde

dabei als Koppel- oder Nebenprodukt der Ethylen- und

Benzinerzeugung beim Dampf-Cracken in Röhrenspaltöfen

sowie in Raffinerien im Wesentlichen in Fluid Catalytic

Cracking(FCC)-Anlagen erzeugt. Alternative Technologien

zur Produktion von Propylen sind die Propandehydrierung

(PDH), Metathese, Olefin-Cracken und Methanol-zu-Olefin

(MTO) bzw. Methanol-zu-Propylen(MTP)-Synthesen sowie

Bild 1 / Produktionsrouten von Propylen und dessen Folgeprodukte

katalytische Pyrolyse / Bild 1 /. Ca. 7 % des Propylens wurde

auf Basis dieser alternativen Technologien, im Wesentlichen

durch Verfahren zur gezielten Erzeugung von Propylen

(“On-Purpose“), wie der Propandehydrierung oder der

Metathese hergestellt. Tatsächlich findet eine zunehmende

Verschiebung der Propylenproduktion hin zu diesen Techno-

logien statt, da zusätzliche Produktionskapazitäten beim

Dampf-Cracken und in Raffinerien bei weitem nicht die

Wachstumsraten des Propylenbedarfes decken können. Die

Produktionskapazität von Propylen durch Propandehy-

drierung wächst derzeit durchschnittlich mit ca. 500.000 t/a

/ Bild 2 /, d.h. jedes Jahr werden ein bis zwei kommerzielle

Großanlagen für die Propandehydrierung gebaut.

Konventionelle Propandehydrierung

In den kommerziellen Anlagen zur Propandehydrierung

wurden bisher ausschließlich konventionelle Technologien

eingesetzt. Bei der Dehydrierung wird Propan zu Propylen

und Wasserstoff umgesetzt. Es handelt sich dabei um

eine endotherme Gleichgewichts-Reaktion, die durch hohe

Temperaturen und niedrige Drücke begünstigt wird. Auf-

grund der Lage des thermodynamischen Gleichgewichtes

werden bei technisch realisierbaren Bedingungen Propan-

Umsätze von ca. 30-50 % erreicht. Dabei wird das Propan –

ggf. unter Zumischung von Wasserstoff oder Wasser-

dampf – bei Temperaturen von ca. 600 °C und bei Drücken

im Vakuumbereich oder leicht oberhalb atmosphärischem

Druck katalytisch mithilfe eines Platin- oder eines

Chromoxid-Katalysators umgesetzt. Höhere Temperaturen

würden zu einer zu starken Verkokung des Katalysators

führen und die Produktselektivität deutlich reduzieren.

Aufgrund der Verkokungsreaktionen auf dem Katalysator

muss dieser regelmäßig durch ein Abbrennen der

rohstoffe produktionsrouten folgeprodukte

Gas

Kondensat

Öl

Kohle

Synthese-

Gas

LPG/

Propan

Naphtha/

Gasöl

Schweröl/

Rückstand

Dampf-

Cracken

C2=

C4=

PDH

FCC-

Raffinerie

Metathese

C4=/

C5+

Methanol +

MTO/MTP

Olefin-

Cracken

Katalytische

Pyrolyse

C

C

C

PP

PO

Cumol

ACN

Acrylsäure

Oxo-Alkohole

ThyssenKrupp techforum 1 I 2011


Propylen-Produktion [kt/a]

7.000

6.000

5.000

4.000

3.000

2.000

1.000

0

'91 '92 '93 '94 '95 '96 '97 '98 '99 '00 '01 '02 '03 '04 '05 '06 '07 '08 '09 '10 '11 '12 '13 '14 '15

Bild 2 / Entwicklung der weltweiten Propylen-Produktionskapazität durch Propandehydrierung

ThyssenKrupp techforum 1 I 2011

Jahr

Bild 3 / Schema der Reaktions-Sektion des STAR process ®

STAR process ® – Ein neues hochproduktives Verfahren zur Propylenherstellung / 47

Kohlenstoffablagerungen sowie eine chemische Reakti-

vierung und Vorreduzierung regeneriert werden.

Wesentliche Nachteile dieser konventionellen Techno-

logien bestehen zum einen in den relativ hohen Investitionskosten

für diese Anlagen und zum anderen im hohen

spezifischen Energie- und Katalysatorbedarf. Zudem ist die

Regenerierung des Katalysators aufwendig.

STAR process ® mit oxidativer Dehydrierung

Im STAR process ® mit oxidativer Dehydrierung werden die

genannten Nachteile behoben. Das Akronym STAR steht

für ‘STeam Active Reforming’, d.h. die Dehydrierung findet

katalytisch in Gegenwart von Wasserdampf statt. Als

Katalysator wird ein spezieller Platin-Zinn-Komplex, fixiert

auf einem Zinkaluminat-Träger, verwendet, der unter dem

Markennamen STAR catalyst ® vertrieben wird. Durch den

Betrieb mit Wasserdampf wird der Partialdruck der Kohlenwasserstoffe

herabgesetzt, was zu höherem Propan-

umsatz führt, und die Reaktion kann somit bei höheren

Absolutdrücken von ca. 6 bar durchgeführt werden. Dies

reduziert die Investitionskosten und den Energie-

verbrauch bei der folgenden Rohgaskompression. Zudem

werden auch die Kohlenstoffablagerungen auf dem Kataly-

sator verringert und die Regeneration des Katalysators

wird dadurch wesentlich vereinfacht.

Die Reaktion im STAR process ® findet in zwei in

Serie geschalteten Festbettreaktoren statt / Bild 3 /. Der

erste Reaktor ist ein aussenbeheizter Rohrreaktor, ein so

genannter Reformer. Die Rohre sind mit Katalysator gefüllt

und befinden sich in einer deckenbefeuerten Ofenbox. Das

Zwischenprodukt wird anschließend einem adiabaten

Festbettreaktor, dem Oxireaktor / Bilder 4 und 5 /, zugeführt.

In diesem Reaktor findet der Schritt der oxidativen

Dehydrierung statt. Oberhalb des Katalysatorbettes wird

ein Gemisch aus Sauerstoff und Dampf eingedüst. Mit

dem zugemischten Sauerstoff wird im oberen Bereich des

Katalysatorbettes Wasserstoff aus dem Zwischenprodukt

selektiv zu Wasser umgesetzt und somit die treibende

Kraft für die Dehydrierungsreaktion deutlich erhöht.

Damit wird die Produktausbeute gesteigert und die

Reaktion kann bei deutlich höheren Raumgeschwindig-

keiten durchgeführt werden. Zudem wird direkt die

benötigte Wärme für die weitere endotherme Dehy-

drierung, die im selben Katalysatorbett stattfindet, zur

Verfügung gestellt. Das Produkt aus dem Oxireaktor wird

in einer Reihe von Wärmetauschern abgekühlt und der

Prozessdampf auskondensiert, wobei die Wärme aus

Abkühlung und Kondensation weitestmöglich für die Vor-

wärmung des Einsatzproduktes, zur Erzeugung von

Dampf, zur Erzeugung von Prozess-Kälte mit Hilfe eines

Absorptionskälteprozesses und zur Beheizung der nachgeschalteten

Prozess-Units verwendet wird. Anschließend

erfolgt die Rohgasverdichtung gefolgt von der Gastrennung

und schließlich der Rektifikation zur Erzeugung des

Propylen-Produktes.

Durch die oxidative Dehydrierung wird die Produkti-

vität bei der Propandehydrierung substantiell erhöht. Der

STAR process ® mit oxidativer Dehydrierung hat eine um

25 % höhere Produktivität als das beste Wettbewerbs-


48 / STAR process ® – Ein neues hochproduktives Verfahren zur Propylenherstellung

Bild 4 / Oxireaktor in der PDH-Anlage EPP, Port Said/Ägypten Bild 5 / 3D-Modell des Oxireaktors

verfahren. Bei einer World-Scale-Propandehydrierungsanlage

kann die Anzahl der parallelen Reaktionsstränge

somit von drei auf zwei reduziert werden, korrespondierend

dazu wird das Katalysatorinventar um 36 % gegenüber dem

Basis-Verfahren reduziert. Damit hat das Verfahren den

geringsten spezifischen Energie- und Katalysatorverbrauch

aller am Markt erhältlichen Verfahren.

Entwicklungsschritte

Bei der Entwicklung der oxidativen Dehydrierung wurde

zunächst die grundsätzliche Verfahrenskonfiguration in einer

eigens dafür gebauten Pilotanlage in umfangreichen experimentellen

Untersuchungen zur Reaktionsführung ermittelt.

Dabei wurden die Betriebsbedingungen, die optimale Anzahl

der Reaktorstufen und die Aufteilung des Katalysators zwischen

den Reaktoren festgelegt. Die verfahrenstechnische

Auslegung und Konstruktion des adiabaten Oxireaktors

und des Sauerstoffverteilersystems erfolgte mit Hilfe von

Computational Fluid Dynamics (CFD) / Bild 6 / und Finite

Elemente-Methode(FEM)-Berechnungen sowie spezieller

experimenteller Untersuchungen und Werkstofftests.

Dabei mussten für die Sauerstoffeindüsung die konträren

Randbedingungen einer sehr kurzen Verweilzeit von wenigen

Millisekunden zwischen Sauerstoffzugabe und Eintritt

in das Katalysatorbett auf der einen Seite und maximaler

Durchmischung des Sauerstoffs mit dem Reaktionsgas vor

Eintritt in das Katalysatorbett auf der anderen Seite erfüllt

werden. Schließlich wurden umfangreiche Untersuchungen

zur Auswahl des geeigneten Katalysatorsystems für die selek-

tive Wasserstoffverbrennung im Oxireaktor durchgeführt

und dabei für den STAR catalyst ® die höchste Selektivität im

Vergleich zu allen anderen Systemen festgestellt.

Kommerzielle Realisierung

Die erste großtechnische Realisierung des STAR process ®

mit oxidativer Dehydrierung erfolgt für den Kunden

Egyptian Propylene & Polypropylene Company (EPP) am

Standort Port Said in Ägypten. Hier baut Uhde schlüsselfertig

einen Anlagenkomplex zur Produktion von jährlich

350.000 t Propylen mit anschließender Weiterverarbeitung

zu Polypropylen inklusive aller dazugehöriger Hilfs- und

Nebenanlagen / Bild 7 /. Der größte Einzel-Apparat der

Anlage, der C3-Splitter zur destillativen Trennung des

Propylen-Produktes und des nicht-umgesetzten Propans,

hat einen Durchmesser von ca. 7 m, ist über 100 m hoch

und wiegt ca. 1.000 t. Die mechanische Fertigstellung der

Anlage wurde im Juni 2010 erreicht und anschliessend

wurde die Anlage erfolgreich in Betrieb genommen.

Parallel zur kommerziellen Erstanlage konnten bereits zwei

Folgeaufträge für den STAR process ® akquiriert werden,

die sich beide in der Realisierung befinden.

Bild 6 / CFD-Simulation

des Oxireaktors

ThyssenKrupp techforum 1 I 2011


ThyssenKrupp techforum 1 I 2011

Reaktions-Sektion

Rohgas-Verdichtung

Bild 7 / 3D-Modell der PDH-Anlage EPP, Port Said/Ägypten

Zusammenfassung und Ausblick

Bei der Produktion von Propylen findet eine zunehmende

Verschiebung von der Koppelproduktion hin zur "On-

Purpose“-Herstellung statt. Mit dem patentierten STAR

process ® hat Uhde das weltweit erste Verfahren zur Erzeu-

gung von Propylen entwickelt, das auf dem Prinzip der

oxidativen Dehydrierung beruht. Bei der oxidativen Dehy-

drierung handelt es sich um eine völlige Neuentwicklung,

die mit Hilfe einer eigens dafür gebauten Pilotanlage durch-

geführt wurde. Die erstmalige kommerzielle Umsetzung

erfolgte in einem petrochemischen Großkomplex zur jähr-

lichen Erzeugung von 350.000 t Propylen mit anschlie-

ßender Weiterverarbeitung zu Polypropylen für den Kunden

EPP am Standort Port Said/Ägypten. Parallel zum Bau

dieser Anlage, die im Sommer 2010 in Betrieb genommen

wurde, konnte Uhde bereits zwei Folgeaufträge, jeweils

mit einer jährlichen Produktionskapazität von 450.000 t

Propylen, akquirieren.

Der STAR process ® hat von allen am Markt erhältlichen

Verfahren zur Propandehydrierung die höchste

Produktivität und den geringsten spezifischen Energie- und

Katalysatorverbrauch. Zudem ist es das robusteste und bedienungsfreundlichste

Verfahren. Mit dem STAR process ®

kann Uhde seinen Kunden komplette Prozessketten aus-

STAR process ® – Ein neues hochproduktives Verfahren zur Propylenherstellung / 49

Rektifikation

Gastrennung

gehend von Propan zu hochwertigen Produkten, wie dem

Polypropylen oder auch dem Propylenoxid liefern. Für

die Herstellung von Propylenoxid bietet Uhde das HPPO-

Verfahren (HPPO = Hydrogen Peroxide Propylene Oxide)

an, das zusammen mit der Firma Evonik entwickelt wurde.

Dabei tritt Uhde sowohl als Lizenzgeber und Lieferant

des STAR catalyst ® , als auch als Engineering- und EPC

(Engineering, Procurement, Construction)-Kontraktor auf

und kann somit Aufträge für Kunden im Rahmen einer

“Single-Point-Responsibility“ abwickeln. Zudem tauscht

sich Uhde mit dem Kunden auch nach Anlagenübergabe

regelmäßig über neue Entwicklungen aus und unterstützt

diesen als After-Sales-Service-Provider, z.B. als Lieferant

von Katalysator Nachfolgefüllungen oder mit Remote-

Performance-Management-Service, über die gesamte

Anlagenlebensdauer.

Der in diesem Artikel vorgestellte STAR process ® mit oxida-

tiver Dehydrierung wurde mit dem 1. Preis des ThyssenKrupp

Innovationswettbewerbes 2009 ausgezeichnet.


50 /

Thema

Mobiles Stauberfassungssystem auf der Hochbahnbunkeranlage im Hochofenbetrieb bei ThyssenKrupp Steel Europe in Duisburg-Hamborn

ThyssenKrupp techforum 1 I 2011


Mobile High-Performance-Entstaubung

für die Schüttgutentladung

Dipl.-ing. anDrEaS pETErS Bereichsleiter Sales & Marketing uhde Services gmbH Haltern am See

anDré KuHn Bereichsleiter Mechanical Technology uhde Services gmbH Haltern am See

Dipl.-ing. gErHarD alTmEyEr Bereichsleiter Hochofenbetrieb Hamborn ThyssenKrupp Steel Europe ag Duisburg

Dipl.-ing. HanS-JürgEn lEißnEr Bereichsleiter Entstaubungstechnik/EA ThyssenKrupp Steel Europe ag Duisburg

Bild 1 / Hochofen 8 in Duisburg-Hamborn

ThyssenKrupp techforum 1 I 2011

Ständig steigende Umweltauflagen zur Reduzierung von Feinstaubemissionen beim Schüttgutumschlag

setzen neue Maßstäbe für Hüttenwerksbetreiber. Von Uhde Services und

ThyssenKrupp Steel Europe gemeinsam entwickelt befindet sich seit Januar 2008 eine

weltweit einzigartige mobile High-Performance-Entstaubungsanlage für die Schüttgutentladung

auf der Hochbahnbunkeranlage im Hochofenbetrieb Duisburg-Hamborn in Betrieb.

Hochbahnbunkeranlage

Die Hochöfen 8 / Bild 1 / und 9 bei ThyssenKrupp Steel

Europe in Duisburg-Hamborn werden über eine Hochbahn-

bunkeranlage / Bild 2 /, bestehend aus 64 Tagesbunkern,

mit den notwendigen Rohstoffen versorgt. Die Rohstoffe

werden über Güterzüge angeliefert, die je nach Rohstoffart

eines der drei Zufahrtsgleise zur erhöhten Bunkeranlage

zugewiesen bekommen und dort die Rohstoffe in die

Tagesbunker abkippen. Der tägliche Materialumschlag

über die 64 Tagesbunker beträgt ca. 18.000 Tonnen.

/ 51

Aufgabenstellung

Im Zuge des Neubaus von Hochofen 8 war es zum Schutz

der Umwelt vor Feinstaubemissionen notwendig, ein hoch-

modernes Stauberfassungssystem für die Hochbahnbunkeranlage

zu entwickeln. Mit dem Erfassungssystem

sollten die während der Waggonentladung entstehen-

den Feinstaubemissionen direkt aufgefangen und der zentralen

Filteranlage geregelt zugeführt werden. Das neue

System musste auf der Anfang des 20. Jahrhunderts

erbauten Hochbahnbunkeranlage, in die nur sehr begrenzte

Bild 2 / Übersicht der Hochbahnbunkeranlage (ohne Entstaubungsanlage)


52 / Mobile High-Performance-Entstaubung für die Schüttgutentladung

Überleitkästen

Absaugwagen

Bandöffnerwagen

Staubsammelleitung

Stationäre Erfassungshauben

Stahlbau Absaugwagen

Bild 3 / Übersicht Gleis mit Absaugwagen und Sammelleitung

Zusatzlasten eingeleitet werden dürfen, integriert werden.

Eine ganz besondere Herausforderung bestand darin,

ein modulares System zu entwickeln, bei dem die einzelnen

Komponenten in größtmöglichen Einheiten angeliefert

werden können, um die notwendigen Gleissperrungen

für das Ziehen der Teile so kurz wie möglich zu gestalten

und die laufende Produktion der übrigen Hochöfen nicht

zu stören. Nach dem Anblasen des neuen Hochofens

8 sollte Hochofen 4 außer Betrieb genommen werden.

Letztendlich erlaubte das zu installierende System es sogar,

während des Aufbaus umfangreiche Reparaturen an der

Vorratsbunkeranlage durchzuführen.

Modellversuche Erfassungshauben

Um eine optimale Gestaltung der stationären Erfassungs-

hauben – unter Berücksichtigung von möglichen Energie-

einsparpotenzialen – sicherzustellen, mussten die Strö-

mungsverhältnisse der Emissionen während des Abkippens

der unterschiedlichen Materialien genau untersucht

werden. Mit dieser Aufgabe beauftragte ThyssenKrupp

Steel Europe das Unternehmen Kessler + Luch, das in

seinem Labor Bunker unterschiedlicher Größe sowie

einen Waggon im Maßstab 1:10 nachbildete und über

verschiedene Versuchsreihen die optimalen Basis-Daten

für die stationären Erfassungshauben ermittelte. Vor dem

Umsetzen in die Praxis wurden an den Bunkern letzte

Betriebsversuche durchgeführt.

3D-Modell und Simulation

Für die vorhandene Hochbahnbunkeranlage mit allen Stör-

kanten, wie z.B. die Huntebahnen (Schrägaufzüge), Rohr-

trassen sowie Lichtraumprofile der Gleisanlagen, erstellte

Uhde Services ein 3D-Modell / Bild 3 /. In dieses Modell

wurde ebenfalls das Hauptstützgerüst der Anlage integriert,

um über die vorgegebenen Lasteinleitungspunkte die

Spannweite der Absaugrohrbrücken und der Laufschienen

für die mobilen Absaugwagen festzulegen. Bei der Basis-

Auslegung der Absaugwagen und der Staubsammelleitungen

legte Uhde Services auch einen hohen

Wert auf die optimale strömungstechnische Auslegung

der einzelnen Komponenten. Nachdem die aus den Laborversuchen

ermittelten Basis-Daten für die stationären

Erfassungshauben feststanden, wurde das Modell vervoll-

ständigt. Mit Hilfe des Modells entwickelte Uhde Services

ein maßgeschneidertes Lösungskonzept zur Absaugung

der Feinstaubemissionen, die während der Waggon-

entladung entstehen.

Detail-Engineering

Das anschließende Detail-Engineering konnte unter Nutzung

effizienter 3D-Engineering-Tools zur

° Vermeidung von Kollisionspunkten,

° Optimierung der Fertigungsabläufe und

° Verringerung der Engineering-Stunden für

die komplexe Gesamtanlage innerhalb von

drei Monaten fertig gestellt werden.

Durch das angepasste Engineering in Modulbauweise

konnte die Bau- und Montageabwicklung optimiert und

die Anlage während des laufenden Betriebes sicher

errichtet werden / Bilder 4 und 5 /.

Funktionsweise des Systems

Der mobile Absaugwagen des jeweiligen Gleises wird mit

einer Funkfernsteuerung über den zu entladenden

Waggon gefahren und dockt an den beiden stationären

Erfassungshauben an, die links und rechts der Gleise den

Bunker abdecken / Bild 3 /. Der Waggon wird vom Absaug-

wagen umhüllt und bietet somit zusätzlichen Schutz

vor dem Austritt von Restemissionen. Der zum Absaug-

wagen gehörende Bandöffnerwagen lenkt das Gummi-

abdeckband der Sammelleitung um und stellt somit

ThyssenKrupp techforum 1 I 2011


Bild 4 / Fertigung und Montage der Anlage

eine ständige Verbindung zur Staubsammelleitung her,

die zur zentralen Filteranlage führt. Er bildet so das

Bindeglied zwischen den stationären Hauben und der

zentralen Staubsammelleitung, die parallel zu dem jeweiligen

Gleis liegt. Bevor der Waggon entleert wird,

fordert der Anlagenfahrer über die Funkfernsteuerung bei

der zentralen Filteranlage die notwendige Saugleistung

an. Das mobile Stauberfassungssystem kann ebenfalls

für den vollautomatischen Betrieb ausgelegt werden.

Durch ein ausgefeiltes Überwachungssystem werden alle

Sicherheitsaspekte berücksichtigt.

Umweltgerechte und kosteneffiziente

Anlagenentwicklung

Die Anlage zeichnet sich durch die in Laborversuchen

optimierten Stauberfassungshauben, die einen Erfassungsgrad

zwischen 91 und 97 % erreichen, und einen um ca.

50 % niedrigeren Energieverbrauch gegenüber herkömm-

ThyssenKrupp techforum 1 I 2011

Bild 5 / Seitliche Waggon-Absaugung

Mobile High-Performance-Entstaubung für die Schüttgutentladung / 53

lichen Systemen aus. Zusätzlich werden durch die mobile

Lösung, bei der überflüssige Verbindungsrohre einschließ-

lich der Absperrorgane zu den Staubsammelleitungen

entfallen, die Investitionskosten sowie jährliche Instand-

haltungs- und Reparaturkosten um ca. 27 % gesenkt.

Mit der erfolgreichen Entwicklung und Umsetzung

des mobilen High-Performance-Entstaubungssystems

für die Schüttgutentladung auf der vorhandenen Hochbahnbunkeranlage

bei ThyssenKrupp Steel Europe werden

neue Maßstäbe in Bezug auf ein extrem effizientes

Stauberfassungssystem in Verbindung mit einem sehr

niedrigen Energieverbrauch gesetzt.

Die Unterschreitung der gesetzlich geforderten

Grenzwerte durch den sehr hohen Erfassungsgrad tragen

erheblich zur Verringerung des Feinstaubgehaltes in der

Wohnnachbarschaft von ThyssenKrupp Steel Europe in

Duisburg-Hamborn bei.


54 / Thema

Poysius-Zementanlage in Ben Ahmed/Marokko

ThyssenKrupp techforum 1 I 2011


Polysius-AFR-Strategie

Dr.-ing. DiETmar ScHulz Senior Executive R&D polysius ag Neubeckum

Dipl.-ing. Karl mEnzEl Senior Executive Engineering Clinker Production polysius ag Neubeckum

Dr. rEr. naT. HuBErT BaiEr Senior Project Manager Alternative Resources polysius ag Neubeckum

Im Herstellungsprozess von Zement sind etwa ein

Drittel der CO 2-Emissionen auf den Brennstoffverbrauch

zur Entkarbonatisierung der Rohstoffe

und zur Erzeugung der hohen Sintertemperaturen

von über 1.400 °C zurückzuführen. Um diese

Emissionen deutlich zu senken, sollen vermehrt

’Alternative Fuels and Raw Materials’ (AFR) eingesetzt

werden. Polysius hat hierzu eine maßge-

schneiderte Strategie entwickelt und umgesetzt,

die ein hohes Wachstumspotenzial aufweist und

eine deutliche Erweiterung der Wertschöpfungs-

kette bedeutet.

Zementherstellung

Die Herstellung von Zement bedarf eines beachtlichen Know-hows

und ist ein ressourcen- und kostenintensiver Prozess. Es handelt sich

dabei um einen kontrollierten Stoffumwandlungsprozess von natürlich

vorkommenden Rohstoffen in ein weltweit genormtes Bindemittel mit

hydraulischen Eigenschaften. Das bedeutet, dass Zement nach dem

Anmachen mit Wasser abbindet und auch unter Wasser seine Stabilität

und Festigkeit beibehält. Hauptbestandteil aller Zemente ist der

Portlandzementklinker (kurz: Klinker), der aus mineralischen Rohstoffen

bei Brennguttemperaturen um die 1.450 °C entsteht. Als natürliche

Rohstoffe werden Kalkstein oder Kalkmergel sowie Sand, Ton und

Eisenerz eingesetzt. Diese Rohmaterialkomponenten werden aufwendig

vorbehandelt und müssen anschließend in dem Mischungsverhältnis

vorliegen, das für die spätere Zusammensetzung des gebrannten

Klinkers erforderlich ist. Das resultierende Rohmehl wird dem Vorwärmer

des Zementherstellungsprozesses im Gegenstrom aufgegeben und

schließlich bei Brenntemperaturen von 850-900 °C im Calcinator ent- Bild 1 / Drehrohrofen in La Robla/Spanien

ThyssenKrupp techforum 1 I 2011

/ 55

karbonatisiert, d.h. CO 2 aus dem Kalkstein ausgetrieben / Bild 1 /.

Ein mittelgroßes Zementwerk benötigt etwa 170 MW thermische

Leistung, wobei der Energieeintrag im Verhältnis 1:1 gleichzeitig über die

Feuerungen des Calcinators und über den Hauptbrenner erfolgt. Dabei

werden etwa 850 kg CO 2 pro Tonne Zement emittiert, das zu 61 % aus

dem Rohmaterial, zu 32 % aus den Brennstoffen und zu 7 % aus

dem elektrischen Energiebedarf stammt. Dieses entkarbonatisierte

Material (Heißmehl) wird dem Drehrohrofen zugeführt, in dem die

Festkörperreaktionen zwischen den Rohmehlbestandteilen ablaufen.

Durch die Rotation des Drehrohrofens wird das Material durch den Ofen

transportiert und innig vermischt. Aufgrund einer sich bildenden Teilschmelze

entstehen dabei Granalien, der so genannte Zementklinker.

Er wandert unter der ca. 2.000 °C heißen Flamme des Hauptbrenners

durch und muss am Ende des Drehrohrofens, im Klinkerkühler, schnell

abgekühlt werden. In diesem hoch reaktiven, erkalteten Zustand wird der

Klinker mit Gips und weiteren Zusatzstoffen zu einem normgerechten

Zement gemahlen, aus dem wiederum mit Sand und Kies der bekannte

Baustoff Beton gemischt wird / Bild 2 /.


56 / Polysius-AFR-Strategie

Bild 2 / Prozess der Zementherstellung: Steinbruch (links), Brennprozess (Mitte), Zementmahlung (rechts)

AFR-Strategie

Die in den letzten Jahren entwickelte und bereits zum großen Teil

umgesetzte AFR-Strategie (Alternative Fuels and Raw Materials) hat

zum Ziel, die CO 2-Emissionen bei der Zementherstellung deutlich zu

senken. Sie zielt bei den Brennstoffen auf die Nutzung industrieller

Abfallstoffströme ab, die bei den hohen Temperaturen im Drehrohrofen

sicher und ohne Schadstoffe zu emittieren umgesetzt werden. Die

gesamte Aufbereitungskette von der Sammlung bis zur Verbrennung

im Zementprozess ist in / Bild 3 / dargestellt.

Die AFR-Strategie von Polysius setzt nicht am Beginn der Aufbereitungskette

an, sondern an deren Ende, bei der Verbrennung. Da

der Baustoff Zement international genormt ist und hohen Qualitätsanforderungen

genügen muss, benötigt der Einsatz variabel zusammengesetzter

Brennstoffe ein großes Know-how der Zementherstellung,

das sich Polysius in seiner mehr als 150-jährigen Geschichte erarbeitet

hat. Dieses Know-how bezieht sich zum einen auf die Verbrennungseigenschaften

der Brennstoffe (Umsetzungsrate, Kinetik, Flammenbildung

etc.) und zum anderen auf die Auswirkungen des nicht brennbaren

Anteils auf die Zementeigenschaften. Fast alle Brennstoffe, außer

Öl und Gas, weisen einen mehr oder minder großen Anteil an Asche

auf. Die Asche ist die Summe aller nicht brennbaren Bestandteile eines

Primär- und Sekundärbrennstoffes. Viele Kunststoffe weisen einen

Ascheanteil von 20 - 40 % auf, der im Wesentlichen aus den zugesetz-

ten Füllstoffen resultiert. Bei ihnen handelt es sich meist um kalzium-

oder siliziumhaltige Materialien aber auch um Zinkoxid oder Titanoxid.

Eigene Produkte Ausbau Produktportfolio

Logistik

Trocknung

biologisch

Nachzerkleinerung

Vorzerkleinerung

Trocknung

thermisch

Bild 3 / AFR-Strategie mit der Erweiterung der Wertschöpfungskette

Siebung Sichtung

„EBS-Mühle“ NIR/QS

Klärschlamm weist je nach Herkunft einen Ascheanteil von 20 - 56 %

auf, in dem auch nennenswerte Anteile von Chrom, Kupfer, Nickel und

Blei sowie Phosphor enthalten sein können. All diese Stoffe werden

im Brennprozess in den Klinker eingebunden, aus dem der Zement

ermahlen wird. Sie sind dann unlöslich und können aus dem Zement

nicht mehr ausgelaugt werden. Allerdings können sich diese Stoffe

in unterschiedlichem Maße auf die Verarbeitungseigenschaften des

Zementes auswirken. Somit ist die Kenntnis dieser Einflüsse der

Schlüssel für den Einsatz der unterschiedlichen AFR-Materialien und

letztendlich der Grund dafür, warum die AFR-Strategie nicht am

Anfang sondern am Ende der Aufbereitungskette ansetzt.

Der erste Schritt in der Umsetzung der Strategie bestand darin,

den Calcinator, in dem etwa 50 % des Brennstoffes bei 850 - 900 °C

eingesetzt werden, so zu modifizieren, dass er mit bis zu 100 % Ersatzbrennstoffen

betrieben werden kann. Die beiden von Polysius entwickelten

Calcinatoren der Bauart CC (Combustion Chamber) und

MSC (Multi Stage Combustion) wurden je so verändert, dass anstelle von

pulverfein aufgemahlener Kohle Brennstoffe mit einer Stückgröße von

bis zu 80 mm aufgegeben und sicher verbrannt werden können.

° Der erste Auftrag dieser Art (Bauart CC) wurde in den USA gebaut

/ Bild 4 /.

° Der zweite Auftrag dieser Art (Bauart MSC) wurde für eine Anlage

in Ungarn in die Lage versetzt, grobe Brennstoffe sicher zu verbrennen

/ Bild 5 /.

Ballistik

Ballierung

Lagerung Förderung Dosierung MSC-Calcinator CC-Kammer

EBS = Ersatzbrennstoffe

NIR = Nahinfrarotspektroskopie

QS = Qualitätssicherung

Prepol-SC Hauptbrenner

Fe-/NE-

Abscheidung

ThyssenKrupp techforum 1 I 2011


Bild 4 / Zementanlage in Harleyville/USA mit Calcinator der Bauart CC (Combustion Chamber)

ThyssenKrupp techforum 1 I 2011

Thema / / 57


58 / Thema Polysius-AFR-Strategie

Bild 5 / Zementanlage in Beremend/Ungarn mit Calcinator der Bauart MSC (Multi Stage Combustion)

ThyssenKrupp techforum 1 I 2011


Nach der erfolgreichen Weiterentwicklung der Calcinatoren wurde der

Hauptbrenner für den Einsatz von Ersatzbrennstoffen entwickelt,

der Polflame VN (Variable Nozzle), dessen Prototyp sich zurzeit in der

Erprobung befindet. Da in der Sinterzone aber Materialtemperaturen

von 1.450 bis 1.500 °C erzielt werden müssen, werden bezüglich der

Qualität und der Stückgröße dieser Stoffe besonders hohe Anforde-

rungen an den Brenner gestellt. / Bild 6 / gibt den Zusammenhang

zwischen dem Aufbereitungsgrad und der geeigneten Brennstelle im

Zementprozess wider.

Für den konsequenten Schritt zum Einsatz noch gröberer Brennstoffe

von bis zu 200 mm Stückgröße befindet sich momentan der

Prepol SC (Step Combustor) in der Entwicklung, der die mechanische

Aufbereitung durch eine thermische ersetzt. Der erste Prototyp soll

Ende 2012 in Betrieb genommen werden.

Da nunmehr die ersten Aggregate für eine sichere Umsetzung alternativer

Brennstoffe erfolgreich in Betrieb sind, wird die Strategie weiter

umgesetzt, indem die in / Bild 3 / dargestellte Wertschöpfungskette

“up-stream“ durch den Ausbau des Produktportfolios erweitert wird.

Dies bedeutet, die Annahme auf dem Zementwerksgelände, die

Dosierung und die Förderung der Brennstoffe in den Prozess mit

Maschinen und Anlagen werden aus einer Hand realisiert. Um diese

Polysius-AFR-Strategie schließlich mit der Aufbereitung der Ausgangs-

materialien zu vervollständigen, wird bedarfsgerecht mit geeigneten

Partnern kooperiert. So wurde vor kurzem das seit längerem in

der Planung befindliche Joint Venture mit dem Namen Vecoplan

FuelTrack gegründet, in dem die Unternehmen Polysius und Vecoplan

ihr Know-how bezüglich des Einsatzes von AFR in der Zement-

industrie bündeln. Somit kann Polysius seinen Kunden einen welt-

weiten Service anbieten, geeignete Ausgangsstoffströme zu identi-

ThyssenKrupp techforum 1 I 2011

< 250 mm

H u~14.000 kJ/kg

< 80 mm

H u~16.000 kJ/kg

Identifikation u Aufbereitung u

< 25 mm

Hu~20.000 kJ/kg

< 3 mm

H u ~22.000 kJ/kg

Bild 6 / Aufbereitung als Bindeglied zwischen der identifizierten Abfallzusammensetzung und der avisierten Brennstelle

u

u

u

u

Stufen-Brennkammer

Calcinator

Hauptbrenner

Polysius-AFR-Strategie / 59

fizieren, verfahrensspezifisch und bedarfsgerecht aufzubereiten und

sie so zu handhaben, dass sie produkt- und emissionsneutral sowie

auch kostengünstig eingesetzt werden können. Ausgehend von

dem erarbeiteten Know-how für die Verbrennung alternativer Brenn-

stoffe und deren Auswirkungen auf die Zementqualität sowie der

Gründung des Joint Ventures, steht die Umsetzung der AFR-Strategie

kurz vor ihrer Vollendung.

Fazit

Die Motivation und der Kundennutzen im Ersatz regulärer Brennstoffe

durch AFR liegen in der Kostenersparnis und in der Reduktion von

CO 2-Emissionen. So kann ein mittleres Zementwerk mit einer Tagesproduktion

von 5.000 t Zementklinker durch das Recycling von Abfallstoffen

etwa 165.000 t Kohle pro Jahr einsparen, was durchaus

einem zweistelligen Millionenbetrag bei den operativen Kosten entspricht.

Werden 50 % der Kohle zudem durch biogene AFR (Holz,

Reisschalen, Klärschlamm etc.) ersetzt, so benötigt das Werk pro Jahr

für ca. 230.000 t CO 2 weniger Emissionszertifikate.

Allein der Vergleich zwischen Europa und Deutschland belegt das

große Marktpotenzial. Während in Deutschland im Durchschnitt bereits

über 60 % des Primärbrennstoffes substituiert werden, liegt der

europäische Durchschnitt aktuell bei einer thermischen Substitutions-

rate von nur 20 %. Der Nachholbedarf ist dementsprechend allein in

Europa sehr hoch.

Die in diesem Artikel vorgestellte AFR-Strategie von Polysius wurde

mit dem ThyssenKrupp Sonderinnovationspreis „Energie und Umwelt“

2010 ausgezeichnet.


60 /

ThermoTecSpring ®

Hochfeste Leichtbau-Feder

als Beitrag zur CO 2-Reduzierung

Dr.-ing. marcEl groß Engineering/Prozesse Schraubenfedern

ThyssenKrupp Bilstein Suspension gmbH Hagen-Hohenlimburg

Warmgeformte Tragfeder mit hoher Festigkeit

ThyssenKrupp techforum 1 I 2011


Leichtbautragfedern

Als Teil der Radaufhängung trägt die Fahrzeugtragfeder

zum einen die Aufbaumasse und erlaubt zum anderen

durch ihren Federweg die Relativbewegung zwischen

Rad und Aufbau. In den letzten Jahrzehnten konnte

das Gewicht von Fahrzeugtragfedern erheblich verringert

werden. Dies wurde durch eine kontinuierliche Anhebung

der Vergütefestigkeit der eingesetzten Federwerkstoffe

erreicht, weil damit eine höhere Materialausnutzung

verbunden ist. Die Festigkeiten heutiger Tragfedern-

werkstoffe liegen im Bereich zwischen 1.900 MPa und

2.050 MPa. Da aber eine Festigkeitssteigerung mit einer

gegenläufigen Abnahme der Werkstoffzähigkeit verbunden

ist, muss, um die geforderte Lebensdauer der Federn

sicherzustellen, bei einer Festigkeitserhöhung auch die

Zähigkeit des vergüteten Werkstoffes durch geeignete

Maßnahmen gesteigert werden.

Der von ThyssenKrupp Bilstein eingesetzte ’High

Performance ThermoTec Process’ ist ein weiterentwickeltes

Warmumformverfahren, das sich für alle warm geformten

Schraubendruckfedern mit zylindrischem Draht eignet.

Durch diesen Prozess wird die Zähigkeit des Federwerk-

stoffes erhöht. Damit lassen sich bei der neuen Federgeneration

ThermoTecSpring ® Festigkeiten von bis zu

2.200 MPa einstellen. Da der optimierte Werkstoff unter

statischer und dynamischer Belastung höhere Spannungen

ertragen kann, lässt sich eine Schraubenfeder bei gleicher

Lebensdauer mit kleinerem Drahtdurchmesser und gerin-

gerer Windungszahl herstellen.

Damit trägt die ThermoTecSpring ® zur Senkung des

Kraftstoffverbrauches und zur Reduktion des CO 2-Ausstoßes

bei. Zusätzlich bietet sie aber auch die Möglichkeit einer

Bauraumverringerung. So lässt sich unter anderem der

Fußgängerschutz verbessern, denn der Abstand zwischen

der starren Struktur der Federbeinoberseite und der Motorhaube

kann größer bemessen werden.

ThyssenKrupp techforum 1 I 2011

ThermoTecSpring ® – Hochfeste Leichtbau-Feder als Beitrag zur CO 2-Reduzierung / 61

Mit der Anpassung des Verfahrens der thermomechanischen Umformung an die

Anforderungen der Warmfertigung von Schraubendruckfedern ist es ThyssenKrupp

Bilstein Suspension gelungen, die Eigenschaften des Materials so zu verändern, dass

höher beanspruchbare Federn realisiert werden können. Damit ist der Weg frei für

leichtere Federn mit geringeren Drahtdurchmessern sowie kürzere Federdesigns bei

gleicher Performance. Gemessen an den normalfesten Tragfedern ermöglicht die

ThermoTecSpring ® -Technologie je nach Anwendungsfall eine Gewichtsersparnis

von 15 bis 20 % pro Feder. Damit trägt die ThermoTecSpring ® zur Senkung des

Kraftstoffverbrauches und zur Reduktion des CO 2 -Ausstoßes bei.

Feines Gefüge durch thermomechanische Umformung

Die thermomechanische Behandlung von Werkstoffen zur

Verbesserung ihrer mechanischen Eigenschaften ist ein

bewährtes Verfahren, das beispielsweise in der Warmblech-

umformung schon seit langem genutzt wird. Bei der Her-

stellung von Fahrzeugtragfedern beschränkte sie sich

bisher allerdings auf Blattfedern. ThyssenKrupp Bilstein ist

es mit dem ’High Performance ThermoTec Process’ (HPTP)

gelungen, die thermomechanische Umformung auch für die

Produktion von Schraubendruckfedern verfügbar zu machen.

Der HPT-Prozess basiert auf einer Kombination aus

mechanischer Umformung und definierter Wärmeführung

des Federdrahtes mit dem Ziel, seine Zähigkeit zu erhöhen.

Temperatur- und zeitabhängige Rekristallisationsprozesse

im Werkstoff führen während und nach der Umformung

dazu, dass sich ein feineres Gefüge ausbildet / Bild 1 /.

Durch anschließendes Härten des behandelten Materials

wird dieses feinere Gefüge fixiert.

Walzgut auf

Warmverformungstemperatur

Bild 1 / Rekristallisationsvorgänge beim Warmwalzen

1 Unverformtes Korn

2 Kornneubildung an

Kristallisationskeimen

3 Beginn des Kornwachstums

durch Rekristallisation

4 Verformtes Korn

5 Ende des Kornwachstums

durch Rekristallisation


62 / ThermoTecSpring ® – Hochfeste Leichtbau-Feder als Beitrag zur CO 2-Reduzierung

Während im Standardprozess der Federwarmfertigung

der auf Austenittemperatur erwärmte Federdraht (Stab)

sofort zur Schraubenfeder gewickelt / Bild 2 / und anschlie-

ßend gehärtet wird, ist beim HPTP ein zusätzlicher Schrägwalzvorgang

zwischen dem Erwärmen und Wickeln des

Federdrahtes integriert / Bild 3 /. Der Federdraht wird dabei

über drei schräg zur Stabachse versetzte Walzen in einem

Stich auf den Enddurchmesser gewalzt / Bild 4 /. Um

den Gefüge verfeinernden Effekt hervorzurufen, muss dabei

ein kritischer Umformgrad überschritten werden.

Merkmale der ThermoTecSpring ®

Für den Leichtbau bei Tragfedern ist die größere Materialzähigkeit

entscheidend, denn mit zunehmender Festigkeit

sind typischerweise eine Abnahme der Zähigkeit und

damit gleichzeitig eine erhöhte Kerbempfindlichkeit ver-

bunden. Erst dank der hohen Zähigkeit des Werkstoffes

nach Durchlaufen des HPTP lassen sich an der

ThermoTecSpring ® Festigkeiten von bis zu 2.200 MPa ein-

stellen – und dies ohne Nachteile für die Bauteillebensdauer.

Grundsätzlich lassen sich alle warm geformten

Schraubendruckfedern mit zylindrischem Draht als

ThermoTecSpring ® fertigen. Die Gewichtsersparnis liegt bei

ca. 15-20 %, die konkrete Größe muss allerdings für jede

Feder individuell ermittelt werden, denn sie ist abhängig

von der Komplexität der an das jeweilige Bauteil gestellten

Anforderungen: So können zum Beispiel Faktoren wie

Kennlinie, Bauraum, Querkraftkompensation, Einbausituation

und Lebensdauer limitierende Randbedingungen

für die erzielbare Gewichtsreduktion darstellen.

Das hohe Festigkeitsniveau des warm umgeformten

Stahles ist der unmittelbare Schlüssel zu Gewichtseinsparungen.

Bei der Auslegung einer Schraubenfeder

bedeutet eine Steigerung der Festigkeit des Federwerk-

stoffes, dass das Material mit einer höheren Torsionsspannung

beaufschlagt werden kann. Vereinfacht ausgedrückt,

lässt sich deshalb der Drahtdurchmesser d der

Feder bei gleichbleibender Kraft F reduzieren / Bild 5 /.

In der komplexeren Auslegung ergibt sich dabei ein

Zusammenspiel aus der Verringerung des Drahtdurchmessers

d sowie der Windungszahl n.

Bild 2 / Federwarmfertigung: Wicklung des Federdrahtes zur Schraubenfeder

Bisher

Neu

Staberwärmung Wickeln Härten

Staberwärmung HPTP Wickeln Härten

Bild 3 / Prozessschritte der Federfertigung

Bild 4 / Prinzip des Warmumformprozesses

d0

d0 Ausgangsdurchmesser Federdraht

d1 Enddurchmesser Federdraht

d1

ThyssenKrupp techforum 1 I 2011


ThyssenKrupp techforum 1 I 2011

Konventionelle Feder ThermoTecSpring ®

Windungszahl n 1 Windungszahl n 2 < n 1

Rate c 1 Rate c 2 = c 1

Drahtdurchmesser d 1 Drahtdurchmesser d 2 < d 1

(Zug-) Festigkeit Rm 1 (Zug-) Festigkeit Rm 2 > Rm 1

Max. Torsionsspannung t max,1 Max. Torsionsspannung t max,2 > t max,1

Gewicht m 1 Gewicht m 2 < m 1

Lebensdauer N 1 Lebensdauer N 2 = N 1

Bild 5 / Kennzahlen ThermoTecSpring ® vs. konventionelle Feder

Vergleichende Gegenüberstellung der Federhöhe

Standardfestigkeit ThermoTecSpring ®

(verringerte Windungszahl,

geringerer Drahtdurchmesser)

Bild 6 / Konstruktive Schritte zur leichten ThermoTecSpring ®

Die ThermoTecSpring ® hat die gleiche Federrate c wie

die konventionelle Feder, durch die verringerte Windungszahl

und den geringeren Drahtdurchmesser insgesamt aber eine

geringere Masse m. Weil durch den Warmumformprozess

die Zähigkeit des Werkstoffes erhöht wurde, bleibt die

Bauteillebensdauer der ThermoTecSpring ® auf dem Niveau

der konventionellen Feder. Bereits durch eine reine

Substitution von konventionell verarbeitetem Federstahl

mit dem Werkstoff aus dem HPT-Prozess kann deshalb das

Komponentengewicht sinken. Eine Verkürzung der Feder-

länge bei zusätzlicher Gewichtseinsparung lässt sich in

einem anschließenden Auslegungsschritt verwirklichen.

Die beiden konstruktiven Entwicklungsschritte von

der konventionellen Feder zur leichteren und kürzeren

ThermoTecSpring ® sind anhand / Bild 6 / nachvollziehbar:

Im ersten Schritt ist die Auslegung einer Thermo-

TecSpring ® ohne Längenänderung (reine Substitution)

dargestellt, wobei sowohl der Drahtdurchmesser als auch

die Windungszahl der Feder verringert werden. Der zweite

Schritt hin zur verkürzten ThermoTecSpring ® basiert auf

der Tatsache, dass infolge der verminderten Windungszahl

und des dünneren Stabdurchmessers der Abstand

(Freiraum) zwischen den einzelnen Windungen größer

ThermoTecSpring ® – Hochfeste Leichtbau-Feder als Beitrag zur CO 2-Reduzierung / 63

ThermoTecSpring ®

(verkürzt)

Federkraft

π · d3

F = t ·

8 · D

D L 0

geworden ist. Wird dieser auf einen notwendigen Mindest-

wert zurückgeführt, verringert sich sowohl die Federlänge

als auch erneut das Federgewicht.

Zusammenfassung und Ausblick

Mit der thermomechanischen Umformung des Federstahldrahtes

wurde von ThyssenKrupp Bilstein Suspension ein

neuer Prozess entwickelt, der die Herstellung von Leichtbau-

Federn mit einer Gewichtsersparnis, die je nach Anwen-

dungsfall zwischen 15 und 20 % liegen kann, ermöglicht. So

leistet die ThermoTecSpring ® mit höherer Vergütefestigkeit

einen Beitrag zur Gewichtsreduktion in der Aufbaufederung.

Berücksichtigt man die zusätzliche Option, die Federlänge

zu reduzieren, so unterstützen die Komponenten zwei Ent-

wicklungsziele der Fahrzeughersteller: Ein geringeres Bauteilgewicht

als Beitrag zur CO 2-Reduzierung sowie eine

Bauraumverringerung, z.B. als Voraussetzung für einen ver-

besserten Fußgängerschutz. Im Mai 2009 wurde die welt-

weit erste und einzige Serienanlage zur Produktion von

ThermoTecSprings ® bei ThyssenKrupp Bilstein Suspension

in Betrieb genommen. Die ersten Kunden werden seitdem

mit ThermoTecSprings ® beliefert.


64 /

Thema

Komposit-Propeller

für Uboot-Klasse 212A

ThyssenKrupp techforum 1 | 1 2011

I 2011


Akustisch optimierter Propeller

aus Kompositwerkstoffen

Dipl.-ing. aXEl paul Theoretical Engineering, Team Strength Calculation Howaldtswerke-Deutsche Werft gmbH Kiel

Dipl.-maTH. anDrEaS ScHmiDT Theoretical Engineering, Team Hydrodynamics Howaldtswerke-Deutsche Werft gmbH Kiel

Dipl.-ing. Eric Wolf Theoretical Engineering, Team Hydrodynamics Howaldtswerke-Deutsche Werft gmbH Kiel

Die Howaldtswerke-Deutsche Werft, eine Gesellschaft

der ThyssenKrupp Marine Systems, ist auf

die Konstruktion und den Bau von nichtnuklearen

Ubooten spezialisiert. Für die neuen Uboote der

Klassen 212A sowie 214 entwickelt und fertigt HDW

einen wegweisenden neuen Propeller aus Kompositmaterial

mit hochdämpfenden viskoelastischen

Zwischenschichten, der mit seinen hervorragenden

akustischen Eigenschaften ein weiteres Allein-

stellungsmerkmal bildet, das die HDW-Uboote für

die Kundenmarinen noch attraktiver macht.

ThyssenKrupp techforum 1 I 2011

/ 65

Vom Guss- zum Kompositpropeller

zweiter Generation

Primäre Entwicklungsziele für Ubootpropeller sind ein verbesserter

Wirkungsgrad und verringerte Signaturen – akustisch, magnetisch

und elektrisch. Dabei steht die Reduzierung der akustischen Signatur

an der Spitze, da passives Sonar zurzeit der wirksamste Sensor gegen

Uboote ist. Für das Propellerdesign bedeutet das unter anderem

die vollständige Vermeidung von Kavitation und die Verringerung

von Druckschwankungen am Propeller. Dies wird mit einer geeig-

neten Propellergeometrie erreicht, für die HDW neue Entwurfs-

werkzeuge entwickelt hat. Eine weitere Forderung ist die Vermeidung

des so genannten Propellersingens und -brummens. Dies sind selbst-

erregte Schwingungen der Propellerflügel, wobei das Singen vermehrt

bei Frequenzen über 300 Hz und das Brummen eher darunter liegt.

Diese Schwingungen können durch eine passende Geometrieänderung

(Anti-Singkante) abgestellt werden. Durch eine hohe Strukturdämpfung

lässt sich die Gefahr des Propellersingens schon in der Entwurfsphase

nahezu ausschließen. Ein Maß für die Strukturdämpfung ist der modale

Verlustfaktor η, der das Verhältnis von dissipierter Energie zu maxi-

maler Formänderungsenergie für jede Schwingungsmode beschreibt.

Die bisher verwendeten Gusspropeller aus der bereits hoch dämpfenden

Mangan-Bronze-Legierung ’Sonostone’ haben einen modalen

Verlustfaktor von η = 0,5 %. Ein modaler Verlustfaktor von η = 1 %

wurde durch die erste Generation von Kompositpropellern aus Kohle-,

Glas- und Aramidfasern erreicht. Erstmalig wurde ein solcher Propeller

für die Klasse 206A der deutschen Marine entwickelt / Bild 1 /. Insge-

samt zwei Propeller wurden für mehrere Jahre erfolgreich getestet

und zeigten insbesondere gute akustische Eigenschaften. Daraufhin

wurde ein größerer Kompositpropeller für die Klasse 212A entwickelt

/ siehe Titelbild des Berichtes /. Im Gegensatz zum in einem Stück

Bild 1 / Kompositpropeller Klasse 206A


66 / Akustisch optimierter Propeller aus Kompositwerkstoffen

gegossenen Bronzepropeller, werden bei den Kompositpropellern

die Propellerflügel einzeln gefertigt und an der Propellernabe montiert.

Neben der erhöhten Strukturdämpfung zeichnen sich Kompositpropeller

auch durch ein deutlich geringeres Gewicht und eine

geringere elektrische Signatur aus.

In Zukunft wird der modale Verlustfaktor durch die Verwendung

von hochdämpfenden viskoelastischen Zwischenschichten im Verbund-

aufbau auf einen Wert von mindestens η = 4 % gesteigert werden.

Diese nächste Generation von Kompositpropellern wird nicht mehr

in Zusammenarbeit mit externen Partnern entwickelt und gefertigt,

sondern erfolgt über die gesamte Wertschöpfungskette bei HDW.

Propellerentwurf

Beim Entwurf einer Ubootantriebsanlage stehen die hydrodynamischen

Eigenschaften des Propellers und dessen Anströmung im Vordergrund.

Hier gilt es, den besten Kompromiss aus mehreren, sich teilweise

widersprechenden Entwurfszielen zu finden. Neben einem hohen

Wirkungsgrad sind meist eine geringe Kavitationsneigung und hohe

Anforderungen an die akustische Signatur die geforderten Entwurfsziele

für einen Ubootpropeller.

Durch lokales Unterschreiten des Dampfdruckes von Wasser entstehen

bei der Kavitation Dampfblasen am Propeller, die durch die anschließende

Blasenimplosion erhebliche strukturelle Schäden an den entsprechenden

Bauteiloberflächen verursachen können. Schlimmer noch

als diese Schäden ist für ein Uboot die drastische Vergrößerung der

Bild 2 / Druckkonturen an der Propelleroberfläche und Stromlinien im Propellernachlauf

Verratsreichweite durch die mit Kavitation verbundenen hohen Schall-

pegel. Die Kavitationsneigung kann z.B. durch ein großes Flächen-

verhältnis des Propellers und die Entlastung der Propellerflügel-

spitzen verringert werden. Diese Maßnahmen stehen jedoch meist im

Widerspruch zu einem hohen Wirkungsgrad. Hierfür bringen ein

geringes Flächenverhältnis und ein großer Propellerdurchmesser

Vorteile. Die akustischen Signaturen werden wiederum stark von der

Blattzahl und der Flügelrücklage, dem so genannten ’Skew’, beeinflusst.

Um für all diese Anforderungen einen möglichst passenden

Propeller zu finden, werden bei HDW gekoppelte Optimierungs- und

Strömungssimulationsverfahren (CFD – Computational Fluid Dynamics)

eingesetzt. Auf diese Weise werden für einen Propellerentwurf

mehrere hundert Entwurfsvarianten auf Kavitationseinsatz, Wirkungsgrad

und Signatur untersucht. Für den finalen Entwurf werden anschließend

die Berechnungsergebnisse mit Hilfe von Modellversuchen

verifiziert / Bild 2 /.

Entwicklung hochdämpfender Faserverbundstrukturen und

entsprechender Entwurfswerkzeuge

Die Werkstoffeigenschaften von Faserverbundstrukturen werden von

einer Vielfalt von Parametern bestimmt, darunter von der Faser-Matrix-

Kombination, der Faserorientierung in den einzelnen Lagen und dem

Lagenaufbau. Es besteht die Notwendigkeit, den Verbundaufbau bezüglich

der vibroakustischen Auslegung zu optimieren.

Z

Y

X

ThyssenKrupp techforum 1 I 2011


Zur Zeit existiert keine kommerzielle Software mit der die modale

Dämpfung von Faserverbundstrukturen berechnet werden kann.

Zusammen mit dem Institut für Leichtbau und Kunststofftechnik

der TU Dresden wurde daher eine numerische Methode zur Modellierung

der Dämpfungseigenschaften von Faserverbundstrukturen

entwickelt. Die Berechnungen werden mit Hilfe der neuentwickelten

numerischen Prozeduren in einem Finite-Elemente-Verfahren durchgeführt

und der modale Verlustfaktor als Funktion der Faserorientierung

und des Lagenaufbaus maximiert. Für eine ebene Platte ergaben

diese Berechnungen für den modalen Verlustfaktor einen Wert von

η = 10 %. Messtechnisch wurde ein Wert von η = 8 % ermittelt. Aufgrund

der deutlich höheren Komplexität der Propellerflügel erwarten wir

für diese einen Wert von η = 4 %.

Die Ermittlung der für die Finite-Elemente-Berechnung erforder-

lichen Festigkeitskennwerte erfolgt durch Versuche an unidirektionalen

Probekörpern. Diese Versuche sind zwingend erforderlich, da die

rechnerische Ermittlung aus den Festigkeiten von Faser und Matrix zu

keinen aussagekräftigen Ergebnissen führt.

Konstruktion

Zur Verbesserung der Handhabung werden – im Vergleich zu den bis-

herigen Kompositpropellern an der Klasse 206A und 212A – die

Propellerflügel zukünftig demontierbar sein. Die Flügel aus Verbund-

werkstoff werden hierfür formschlüssig und mit einer Klebung in

einen zweigeteilten Bronzefuß eingefügt, der mit Schrauben an die

Bild 3 / Propellerflügel, Nabe und Ablaufhaube (rechts, HDW-Patent) für die Klasse 212A Bild 4 / Schnitt durch einen Propellerfuß

ThyssenKrupp techforum 1 I 2011

Akustisch optimierter Propeller aus Kompositwerkstoffen / 67

Nabe montiert wird / Bilder 3 und 4 /. Dadurch ist es möglich, beschädigte

Flügel auch auf See zu tauschen.

Die Propellerflügel bestehen aus Kohle- und Glasfaser mit

hochdämpfenden viskoelastischen Zwischenlagen. Für die Verbund-

werkstoffkonstruktion einschließlich des Erstellens der Fertigungsunterlagen

wird die CAD/CAM (Computer Aided Design/Computer

Aided Manufacturing) Software FiberSIM ® von Vistagy verwendet.

Fertigung und Qualitätssicherung

HDW hat langjährige Erfahrung mit Herstellverfahren und mit der

Fertigung von Teilen aus Faserverbundstoffen auf Glas-, Aramid- und

Carbonfaserbasis mit hohen Ansprüchen hinsichtlich Größe, Form,

Festigkeit, Genauigkeit und Oberflächenqualität. Diese Erfahrungen

können auch bei der Fertigung des Kompositpropellers genutzt

werden. Die Propellerflügel werden als zwei Halbschalen gefertigt.

Um höchste Qualität zu erreichen, wird mit so genannten ’Prepregs’

(Preimpregnated Fibers) gearbeitet. Dadurch erreicht man eine sehr

gleichmäßige Verteilung und gute Ausrichtung der Fasern, eine nahezu

luftblasenfreie Imprägnierung und geringe Dickenschwankungen. Die

Imprägnierung der Fasern erfolgt maschinell.

Die automatisiert zugeschnittenen Lagen werden mittels Laser-

projektion abgelegt. Nach Kalthärten und Nachhärten/Tempern

werden beide Halbschalen auf ihr endgültiges Maß gefräst, zur

Kontrolle geröntgt und erst miteinander sowie abschließend mit dem

Bronzefuß verklebt.


68 / Akustisch optimierter Propeller aus Kompositwerkstoffen

Bild 5 / Anschlagversuche am Propeller

Der Betriebsfestigkeitsnachweis erfolgt im Bauteilversuch im Maßstab

1:1 bei der IMA (Materialforschung und Anwendungstechnik GmbH)

in Dresden an einem Prototypenflügel. Dabei wird die doppelte

Lebensdauer nachgewiesen, wobei nicht nur die normalen Betriebszustände

berücksichtigt werden, sondern auch Lasten aus extremen

Fahrzuständen wie Not-Stop (volle Drehzahl rückwärts) oder maximaler

Beschleunigung. Nach den Bauteilversuchen wird der getestete Flügel

in mehrere Teile zersägt und untersucht.

Akustische Vermessung

Um die angestrebte Verringerung der akustischen Signatur zu gewähr-

leisten, werden umfangreiche akustische Vermessungen durchge-

führt. Als erstes erfolgt die Modalanalyse der Propellerflügel in Luft.

Dabei werden die Eigenfrequenzen, die Eigenformen und die

modalen Dämpfungen bestimmt. Ein praktiziertes Verfahren zur

Durchführung der Modalanalyse sind so genannte „Anschlag-

versuche“ / Bild 5 /. Hierbei wird an einem Punkt des Flügels ein

Beschleunigungsaufnehmer aufgeklebt, und ein Impulshammer

regt die Flügel an mehreren definierten Punkten an. Ein weiteres

bei HDW angewendetes Verfahren ist die Laservibrometer-

vermessung. Die Flügel werden hierbei mit einem Shaker

angeregt und die Oberflächen werden mit einem Laser abgetastet

/ Bild 6 /. Interferometrisch werden die Auslenkung und die

Oberflächenschnellen bestimmt / Bild 7 /. Der Vorteil gegenüber

Anschlagversuchen liegt in der höheren Auflösung und in der auto-

matisierten Durchführung.

ThyssenKrupp techforum 1 I 2011


Bild 6 / Laservibrovermessung – der hintere, nicht lackierte Flügel wird vermessen Bild 7 / Eigenmode aus Laservibrovermessung

Vor dem erstmaligen Auslaufen eines Bootes mit einem Kompositpropeller

werden die Anschlagversuche im Wasser für einen Flügel

wiederholt. Die Durchführung erfolgt mit Taucherunterstützung. Hierbei

können lediglich die Eigenfrequenzen und die modalen Dämpfungen

bestimmt werden.

Die Bewährungsprobe für den Propeller kommt mit der Wasserschallmessung

in Eckernförde (Flachwasser) und Bergen (Tiefwasser),

wo das Uboot inklusive Propeller in diversen Fahrtzuständen akustisch

geprüft wird.

Ausblick

Der neue hydrodynamisch und akustisch optimierte Kompositpropeller

wird Ende des Jahres am neuen Uboot der Deutschen Marine

ThyssenKrupp techforum 1 I 2011

Akustisch optimierter Propeller aus Kompositwerkstoffen / 69

(Typ 212A/2.Los) in Seeerprobung gehen. Diese Eigenentwicklung

hat international höchstes Interesse geweckt und ihr Marktpotenzial

durch Verkäufe für HDW-Uboote vom Typ 214 bewiesen.

Die Technologie von Kompositpropellern mit hochviskosen

Zwischenschichten bietet noch großes Potenzial zur Verringerung

der akustischen Signatur, insbesondere Möglichkeiten zur lokalen

Beeinflussung der Strukturdämpfung sowie der hydrodynamischen

Optimierung durch eine nachgiebige Flügelstruktur.


70 / ViSTIS ® – Revolutionäres Team-Training für komplexe Systeme

Moderne Ausbildung für komplexe Systeme

ThyssenKrupp techforum 1 I 2011


ThyssenKrupp techforum 1 I 2011

ViSTIS ®

Revolutionäres Team-Training

für komplexe Systeme

marKuS ScHuppErT m.a. Projektleiter ViSTIS ® Blohm + voss naval gmbH Hamburg

Eine hochwertige Ausbildung von Bedienungs- und

Instandsetzungspersonal von komplexen Systemen

ist die Basis für einen erfolgreichen und effizienten

Einsatz von Mensch und Material. Aber die Besatzungsausbildung,

z.B. für Marineschiffe, ist bisher

nur auf dem Originalschiff möglich. Mit ViSTIS ® ,

dem ’Virtual Ship Training and Information System’,

wird dies künftig auch auf einem virtuellen Schiff

unabhängig von der Original-Hardware bzw. vom

Originalschiff möglich sein. Dieses innovative

Ausbildungs- und Informationssystem wird derzeit

unter Federführung von Blohm + Voss Naval in

Hamburg entwickelt.

/ 71

Virtuelles Schiffstraining

Computerbasierte Ausbildungsmittel, wie Simulationen und Computerlernprogramme,

haben bereits seit langem Einzug in den Lehrplan der

Marineschulen gehalten. Im Gegenzug werden weniger Originalgeräte

als Ausbildungsmittel benötigt. Die Gründe liegen auf der Hand:

Computerbasierte Ausbildungsmittel sind kostengünstiger als Original-

Hardware, dabei beliebig oft reproduzierbar und stellen gleichzeitig

eine gleichbleibende Qualität der Ausbildung sicher. Dennoch werden

gerade bei den Marinen immer noch große Ausbildungsanteile

an Bord der Schiffe durchgeführt, da eine einheitliche virtuelle

Trainingsumgebung zur Ausbildung aller auf einem modernen Marine-

schiff anfallenden Aufgaben und auftretenden Situationen bisher nicht

vorhanden ist. Damit ist eine Teamausbildung der gesamten Besatzung

bisher nur auf dem Originalschiff möglich.

ViSTIS ® (Virtual Ship Training and Information System) erlaubt künftig

die Schulung in einem virtuellen Schiff.


72 / ViSTIS ® – Revolutionäres Team-Training für komplexe Systeme

Bild 1 / Von CAD zu ViSTIS ®

Innovatives Ausbildungs- und Informationssystem ViSTIS ®

Das innovative Ausbildungs- und Informationssystem ViSTIS ® wird derzeit

unter Federführung von Blohm + Voss Naval in Hamburg entwickelt.

Die wichtigsten Kernfunktionalitäten von ViSTIS ® sind:

° Höchster Realitätsgrad

° Integrierte Systemarchitektur

° Innovatives Individual- und Team-Training

Der hohe Realitätsgrad basiert auf einer realistischen Echtzeitvisualisierung

mit Hilfe der CryEngine ® 3, einer der weltweit führenden

“Game Engines” des Computerspiele-Herstellers Crytek. Grundlage für

die Modelle sind jedoch die originalen 3D-CAD-Daten (Computer Aided

ViSTIS ® Presentation Layer

Delivery of Training Content to various End-User-Devices

Content Data

Interactive Electronical Technical

Documentation (IETD)

Electronical Performance

& Support System (EPSS)

Media / Streaming Server

Computer Based Training (CBT)

Learning Management System (LMS)

Content Management System (CMS)

Learning Content Management

System (LCMS)

via standardbasierte

Schnittstellen

Bild 2 / Integrierte ViSTIS ® Architektur

ViSTIS ®

Simulation Framework

ViSTIS ® Team Server

De-Centralized Team-Training

viSTiS ®

System & learning framework

ViSTIS ®

Simulation Software

Development Kit (SSDK)

Design), die über einen komplexen Konvertierungsprozess für die

Darstellung in der Game Engine aufbereitet werden / Bild 1 /.

Eine weitere wesentliche Funktionalität von ViSTIS ® ist die integrierte

Systemarchitektur. Sie verbindet die Echtzeitvisualisierung mit

einem innovativen Lern- und Wissensmanagementsystem. Durch die

Integration der relevanten Systemsimulationen wird das virtuelle Schiff

interaktiv, d.h. es reagiert auf die Eingaben des Nutzers wie das

reale Schiff. Eine skalierbare und modulare Architektur sorgt dafür,

dass kein Einstiegsprojekt zu klein, aber auch kein großes Projekt zu

komplex für ViSTIS ® ist. Gleichzeitig sind die Einstiegsprojekte keine

Sackgasse, sondern bilden die Basis für komplexere Folgeprojekte

/ Bild 2 /.

ViSTIS ®

Media Database

ViSTIS ®

Software Development

Kit (SDK)

über Webprotokoll

Combined /Joined Forces

Team Training

Runtime Data

Automation System Trainer

Combat Management Trainer

Bridge Simulation

COMMS Simulation

Platform Simulation

Weapon Trainer

Tactical Trainer

via standardbasierte

Schnittstellen

ThyssenKrupp techforum 1 I 2011


ViSTIS ® ermöglicht mit seinen integrierten Trainingsszenarien ein inno-

vatives Individual- und Team-Training. In der virtuellen Simulationsumgebung

lassen sich sowohl Routineaufgaben als auch Not- und

Gefechtssituationen realistisch ausbilden, ohne Mensch oder Material

zu gefährden. Dabei werden dem Nutzer seine virtuelle Umwelt, die zu

bedienenden Anlagen und Geräte sowie die anderen Crew-Mitglieder

in Echtzeit in einer fotorealistischen 3D-Umgebung präsentiert. Die

Nutzer müssen hierzu nicht am selben Ort sein, sondern sie können

über Internet/Intranet an dem jeweiligen Trainingsszenario teilnehmen

/ Bild 3 /.

Im Vergleich zur Ausbildung an Bord oder mit Original-Hardware

bietet ViSTIS ® :

° Eine geringere Belastung der realen Schiffe und damit die

Freisetzung für den eigentlichen Einsatz

° Deutlich geringere Trainings-Betriebskosten und gleichzeitig eine

deutlich reduzierte Umweltbelastung im Vergleich zum Einsatz

realer Schiffe (zur Verdeutlichung: Eine Fregatte verbraucht

pro Stunde ca. 3.000 l Diesel und produziert dabei ca. 8 t CO2) ° Die Möglichkeit zum Training von kritischen Situationen, wie z.B.

die Brandbekämpfung oder das Herstellen von Notschaltungen

an Anlagen im Dauerbetrieb, die so am Originalgerät nicht

möglich sind, ohne dabei Personal oder Material zu gefährden.

Bild 3 / Beispiel für ein Trainingsszenario mit ViSTIS ®

ThyssenKrupp techforum 1 I 2011

ViSTIS ® – Revolutionäres Team-Training für komplexe Systeme / 73

Zusammenfassung:

ViSTIS ® ist die Antwort auf die Herausforderungen, vor denen die

modernen Marinen überall auf der Welt stehen: Die Systeme werden

immer komplexer und gleichzeitig die Besatzungen immer kleiner. Damit

steigen die Anforderungen an die einzelnen Besatzungsmitglieder.

Die Stärke von ViSTIS ® liegt zum einen in der Fähigkeit, unterschiedlichste

Simulationen zu integrieren und damit ein realistisches Anlagen-

und Systemverhalten des virtuellen Schiffes zu erreichen. Zum anderen

können neben der Ausbildung der einzelnen Besatzungsmitglieder auch

komplexe Abläufe und Verfahren im Team geschult werden. Damit

können Ausbildungszeiten auf dem realen Schiff signifikant reduziert

werden, weil die Besatzung durch virtuelles Training gut vorbereitet

wurde. Gleichzeitig wird das Material weniger beansprucht, was in letzter

Konsequenz weitere Kosten spart.

Mit der Einführung von Ausbildungslösungen bei der Deutschen und

Australischen Marine hat ViSTIS ® erste Erfolge zu verzeichnen und damit

den Grundstein für weitere Aufträge gelegt.


74 /

Thema

RFID-gekennzeichnete Bramme bei der Überfahrt eines Lesepunktes

ThyssenKrupp techforum 1 I 2011


RFID-Brammenlogistik

Dipl.-Winf. loÏc fEinBiEr Leiter CoC Supply Chain Visibility ThyssenKrupp iT Services gmbH Essen

Dipl.-Winf. yaSEmin yaSlar Supply Chain Visibility Projekte ThyssenKrupp iT Services gmbH Essen

Dipl.-ing. HEinEr niEHuES ThyssenKrupp RFID-Logistics Platform ThyssenKrupp iT Services gmbH Essen

Die automatisierte Erfassung von Materialstücken in logistischen Prozessen gewinnt zunehmend an Bedeutung.

Um den Anforderungen einer möglichst schnellen, sicheren und transparenten Lieferkette zu genügen, wird

immer häufiger auf RFID-Technologie (Radio Frequency IDentification) gesetzt. ThyssenKrupp führte als erster

Werkstoff- und Technologiekonzern RFID zur automatisierten Identifikation von Brammen entlang einer neuen

Supply Chain von Brasilien über Umschlaghäfen nach Europa und USA ein. Dadurch werden die Verladezeiten

der Brammen deutlich verkürzt und Verwechslungen vermieden.

ThyssenKrupp techforum 1 I 2011

Motivation

Mit dem Bau eines neuen Stahlwerkes in Brasilien und eines

weiterverarbeitenden Werkes in den USA, war eines der

obersten Ziele die Optimierung der komplexen Logistik-

prozesse für den internationalen Seetransport von Stahl-

brammen. Dazu müssen die Brammen an relevanten

Schlüsselpunkten möglichst schnell und dennoch sicher

identifiziert werden, um die Kapazitäten der Verlademittel

optimal auslasten und die Liegezeiten der Seeschiffe

an den Häfen durch Beschleunigung der Verladevorgänge

möglichst kurz halten zu können. Es musste

demnach eine Kennzeichnungsmethode gefunden werden,

die selbst auf stark verschmutzten Brammenoberflächen

haftet und auch unter schlechten Wetterbedingungen

sowie bei Tag und Nacht aus größerer Distanz sicher

und schnell erfassbar ist. Aufgrund der schwierigen wie

unkontrollierbaren Umweltbedingungen, schieden Bar-

codes von Anfang an als Alternative aus. Die RFID-

Technologie dagegen hatte das Potenzial die hohen Anforderungen

zu erfüllen. Der Nachweis dafür musste jedoch

erst in aufwendigen Feldversuchen erbracht werden, da

der Einsatz von RFID in der Stahlindustrie in dieser Form

bisher einzigartig ist.

Die Identifikation von Brammen mittels RFID wurde

an den werkseigenen Häfen in Sepetiba/Brasilien

(ThyssenKrupp CSA), Calvert/USA (ThyssenKrupp Steel

USA) und Duisburg-Walsum (ThyssenKrupp Steel Europe)

umgesetzt. Die von Dienstleistern betriebenen Umschlaghäfen

in Rotterdam/Niederlande und Mobile/USA haben

die RFID-Technologie ebenfalls eingeführt und wurden bei

der Umsetzung unterstützt.

Herausforderungen

Aufgrund von Interferenzen und Reflexionen wurde der

Einsatz von RFID auf Metallen und in metallischen Um-

gebungen früher häufig als unmöglich betrachtet, da

weder die Lesbarkeit an sich, noch eine akzeptable Lesereichweite

garantiert werden konnten. Mit dem richtigen

RFID-Etiketten-Design gelang es dem Projektteam jedoch,

einen unter physikalischen Gesichtspunkten optimalen

Abstand zwischen RFID-Chip und dem metallischen

/ 75

Brammenkörper einzuhalten, der die Kommunikation zwischen

RFID-Lesegerät und RFID-Tag ermöglicht. Bei diesem

so genannten “Flag-Tag“ wird der Teil des Etikettes, der den

RFID-Transponder enthält, derart abgeknickt, dass eine

senkrecht vom Metall abstehende, 4 cm lange Flagge entsteht

/ Bild 1 /.

Der Chip des RFID-Transponders enthält die eindeutige

Identnummer der jeweiligen Bramme. Diese vollkommen

passive Lösung ermöglicht trotz metallischer Brammenober-

fläche die Erfassung des Brammen-Identen per Funk aus

einer Distanz von bis zu 8 m – und zwar während des

Verladevorganges der Bramme / Bild 2 /, ohne dass der Kran

dabei anhalten muss.

Bild 1 / Brammenetikett mit RFID-Transponder und Flagge

Bild 2 / Vollautomatisierte Identifikation bei der Verladung im Seehafen

von Sepetiba/Brasilien


76 / RFID-Brammenlogistik

Um die RFID-Etiketten über den gesamten Transportweg

nutzen zu können, ist eine sichere Haftung des Etikettes

an der Bramme unabdingbar. Verzunderte Brammenoberflächen,

Restwärme der Brammen, schlechte Wetter-

bedingungen, wie Nässe und Wind, sowie raue Umgebungsbedingungen

beim Transport der Brammen stellten

neue Herausforderungen dar. Um diesen zu begegnen,

wurde in enger Zusammenarbeit mit einem Spezialetiketten-

Hersteller ein kostengünstiges RFID-Etikett aus anforderungsgerechtem

Material (synthetisch, hitzebeständig bis

200 °C) und einem Spezialklebstoff entwickelt. Dieser

erlaubt auch bei leicht feuchter und verschmutzter

Brammenoberfläche eine sichere Haftung des Etikettes.

Das flexible Material sorgt dafür, dass die Flagge mit dem

RFID-Transponder, bei Einwirkung von außen nachgibt,

sich anschließend aber selbst nach mehreren Wochen

in angedrücktem Zustand wieder ausreichend aufstellt,

um zu gewährleisten, dass der RFID-Chip ausgelesen

werden kann. Dies ist besonders wichtig, da die

Brammen auf ihrem langen Weg von Brasilien in die USA

und nach Deutschland bis zu drei Wochen lang im

Schiffsbauch eng aneinander liegen / Bild 3 /. Die gewählte

Variante hilft zudem, die laufenden Kosten der Lösung

niedrig zu halten, da die Einweg-Etiketten nicht aufwendig

am Ende der Kette entfernt und zum Ursprungsort zurück

geschickt werden müssen, wie dies bei Verwendung her-

kömmliche “on-metal“-Transponder-Lösungen notwendig

wäre. Ein weiterer Vorteil der eingesetzten Etiketten be-

steht in der Möglichkeit, diese zusätzlich mit 2D-Barcodes

und Materialangaben im Klartext bedrucken zu können,

sodass bei Bedarf eine Bramme auch manuell identifiziert

werden kann.

Prozessablauf

Für die rudimentäre Reinigung der zu beklebenden

Brammenoberfläche, die Programmierung des RFID-Chips,

den Druck der Etiketten sowie deren Anbringung an den

Längsseiten der Brammen wurden an den Produktionsstandorten

Santa Cruz/Brasilien und Duisburg speziell für

diesen Zweck konzipierte Etikettier-Stationen gebaut. Alle

Brammen werden auf ihrer Fahrt zu den Verladekränen

in bis zu fünf Brammen hohen Stapeln auf Schwerlast-

Transportmitteln in die jeweilige Etikettier-Station eingefahren.

Dort werden dann die zu etikettierenden Stellen an

den Längsseiten der Bramme mechanisch gereinigt. Nach

einem visuellen Abgleich der Beladung mit den Angaben

des Etikettiersystems, die in Brasilien automatisiert durch

eine OCR-Lösung (Optical Character Recognition) erfolgt,

werden die Etiketten von einem Laserdrucker ausgegeben.

Bild 3 / Hochseetüchtige Verstauung

von Brammen im Laderaum eines

Panamax Frachters

ThyssenKrupp techforum 1 I I 2011


Bild 4 / Wohlbehaltene Ankunft der ersten Brasilien-Bramme am weiterverarbeitenden

Produktionsstandort Duisburg

ThyssenKrupp techforum 1 I 2011

Dieser bedruckt das Etikett und programmiert zeitgleich

den enthaltenen RFID-Chip mit dem zugewiesenen Identen.

Ein Mitarbeiter entnimmt das Etikett, faltet es an der dafür

vorgesehenen Knick-Perforation und bringt es parallel zur

Brammenkante mittig an der entsprechenden Brammen-

seite an. Jede Bramme wird an beiden Längsseiten mit

jeweils einem RFID-Etikett versehen. So ist gewährleistet,

dass die Bramme, unabhängig von ihrer Orientierung bei

der Verladung möglichst früh erkannt werden kann. Weiter-

hin erhöht die so vorhandene Redundanz die Chancen für

eine automatisierte Identifikation, auch wenn ein Etikett

beim Transport der Bramme physisch beschädigt wurde.

Die RFID-Lesegeräte für die Identifikation der Brammen

bei der Verladung sind an den Querstreben der Kräne oder

direkt an den magnetischen Lasthebemitteln montiert.

Die Erfassung erfolgt automatisch, während die Brammen

in Richtung Schiff bzw. Kaikante bewegt werden. Eine aus-

geklügelte Software-Logik analysiert die von den RFID-

Lesegeräten zurückgelieferten Rohdaten und filtert eventuell

durch Reflektion der Radiosignale entstandene Fehlerfassungen

aus. Übrig bleiben nur die relevanten logistischen

Ereignisse, wie die Bestätigung der Verladung bzw.

der Vereinnahmung einer Bramme, die vom RFID-System

an das jeweils angebundene lokale IT-System weiterge-

leitet werden. So können an den Häfen die Verladelisten

zügig abgeglichen und die Zielpositionen der Brammen

rechtzeitig an die Kranfahrer kommuniziert werden. Zu-

sätzlich zu den Kränen, befindet sich ein letzter Lesepunkt

am so genannten „Ofenrollgang“ im Warmbandwerk von

Calvert. Dort werden die Brammen vor der Weiterverarbeitung

zu Warmband-Coils erneut erfasst, um sicherzustellen,

dass die richtige Bramme mit der richtigen Qualität in den

Produktionsprozess eingeht.

Die ersten Brammen wurden im April 2010 von

Duisburg-Walsum aus über Rotterdam und Pinto Island/

USA nach Calvert verschifft, gefolgt von der ersten

Brammenlieferung aus Brasilien im November desselben

Jahres / Bild 4 /. Die automatisierte Erkennungsrate der

ersten Lieferung lag am Zielhafen bei über 95 % und über-

traf damit – gerade im Hinblick auf die extremen Bedin-

gungen während des Brammentransportes – alle Erwar-

tungen. Nicht automatisiert identifizierbare Brammen – z.B.

RFID-Brammenlogistik / 77

weil die RFID-Etiketten physisch zerstört wurden – werden

an allen Stellen mit mobilen Barcode-Scannern schnell

und fehlerfrei nacherfasst.

Innovative IT-Lösung

Neben der Entwicklung der benötigten RFID-Komponenten

und der zugehörigen Abläufe an den beteiligten Standorten,

bestand eine weitere Herausforderung darin,

leistungsfähige IT-Systeme für diese weltumspannend

automatisierte Supply Chain aufzubauen.

Im Hinblick auf die hohen Entwicklungskosten, sowie

Aspekte der Wiederverwendbarkeit und Zukunftssicherheit,

war es dabei umso wichtiger, dass die so geschaffene

IT-Lösung auf anerkannten Industriestandards aufbaut.

Vor diesem Hintergrund ist ThyssenKrupp bereits 2008

als erstes Unternehmen seiner Art der Standardisierungsorganisation

EPCglobal beigetreten und setzt seit-

dem konsequent auf relevante Normen für den Einsatz

von RFID-Technologie und den elektronischen Austausch

von Bewegungsdaten zwischen Supply Chain Partnern.

So kommt beispielsweise bei der Kennzeichnung der

Brammen das zukunftsweisende Nummerierungskonzept

Electronic Product Code (EPC) zum Einsatz, das eine

eindeutige Identifizierbarkeit der Brammen weltweit

und unternehmensübergreifend sicherstellt. Auch die

verwendeten RFID-Transponder und -Lesegeräte sind

konform zum EPC Class 1 Gen 2 Standard, wodurch

die internationalen Inbetriebnahmen vereinheitlicht und

deutlich vereinfacht wurden. Ein eigens für ThyssenKrupp

aufgebautes EPC Information System (EPCIS) ermöglicht

allen internen und externen Teilnehmern an der Wertschöpfungskette,

relevante Logistikereignisse einheitlich

und in Echtzeit auszutauschen. So haben alle Beteiligten

jederzeit Zugang zu den für sie relevanten logistischen

Informationen und können Entscheidungen quasi in

Echtzeit fällen.

Der generische Aufbau dieser konzernintern als

ThyssenKrupp RFID-Logistics Platform“ bekannten IT-

Lösung macht es möglich, neue Anwendungsfälle für RFID

schnell, kostengünstig und mit Schwerpunkt auf den zu

gestaltenden Geschäftsprozessen in tragfähige Lösungen

umzusetzen.

Ausblick

Mit der erfolgreichen Einführung von RFID in der Brammenlogistik

nimmt ThyssenKrupp im Umgang mit dieser

innovativen Technologie eine Vorreiterstellung unter den

global agierenden Werkstoff- und Technologiekonzernen

ein. Durch die vielfältigen Einsatzmöglichkeiten sind der

RFID-Technologie auch in anderen Anwendungsgebieten

kaum Grenzen gesetzt. Mittlerweile hat RFID in vielen

anderen Bereichen des Konzerns alte Technologien

ergänzt bzw. abgelöst, oder es ist geplant dies zu tun.

So etwa für die Verfolgung von Anlagenteilen, betriebseigenen

Transportmitteln und -behältnissen, bis hin zu

Zwischenmaterial und Endprodukten. Mit RFID können

künftig auch diese Prozesse automatisierter und sicherer

ablaufen und das bei gleichzeitig deutlich verbesserter

Einsicht in die Wertschöpfungskette.

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