Thyssenkrupp techforum 2/2007

ThyssenKrupp
techforum
Heft 2 I 2007

IMPRESSUM
HERAUSGEBER
ThyssenKrupp AG, Zentralbereich Technology, August-Thyssen-Straße 1, 40211 Düsseldorf,
Telefon 0211/8 24-3 62 91, Telefax 0211/8 24-3 62 85
ERSCHEINUNGSWEISE
Titelbild
Das Titelbild zeigt eine Dampfturbine für die Hochdruckstufe eines
Kernkraftwerkes nach Montage der Schaufeln. Diese Turbine –
installiert in einem neuen Kernkraftwerk auf der Insel Olkiluoto
vor der Westküste Finnlands – ist von Siemens Power Generation
entworfen und gefertigt worden. Die Turbinensektion ist eine zweigehäusige
Konstruktion, bestehend aus einer zweiflutigen Hochdruckturbine
und einer sechsflutigen Niederdruckturbine mit starr
angekoppeltem Dreiphasen-Synchrongenerator. Die Bemühungen
zum Erreichen höchster Dampftemperaturen und -drücke, zum Bau
größerer Turbinen und zum Einsatz modernster Technologien tragen
dazu bei, die Effizienz großer thermischer Kraftwerke zu steigern
und deren Emissionen zu verringern. Das Kraftwerk von Olkiluoto
liefert ca. 1.600 MW bei einem Wirkungsgrad von rund 37 %.
Für dieses Projekt mit der größten Dampfturbine der Welt hat die
italienische Società delle Fucine, ein Unternehmen von ThyssenKrupp
Acciai Speciali Terni, die aus einem Stück geschmiedete Rotorwelle
der Hochdruckstufe gefertigt und geliefert. Società delle Fucine ist
von Siemens Power Generation als ein wichtiger Lieferant solcher
Komponenten anerkannt worden und wurde im August 2007 mit
dem Lieferantenpreis „Pionier bei der Herstellung von Schmiedeteilen
für die größte Dampfturbine der Welt“ ausgezeichnet.
„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

Liebe Leserinnen, liebe Leser,
Energie ist in der Wirtschaft und im Alltag unverzichtbar. Wir benötigen Primärenergieträger beispielsweise
für Wärme und Mobilität. Bis heute wird Energie überwiegend aus fossilen Rohstoffen wie Kohle, Öl, Gas
sowie aus Uran gewonnen. Die Reserven sind jedoch endlich, sodass der Ressourcenschonung eine
immer wichtigere Rolle zukommt. Der weltweit wahrzunehmende Klimawandel mit seinen Auswirkungen
betrifft uns alle und verlangt ein Umdenken in der Energiepolitik sowie eine Erhöhung der Effizienz der
Umwandlung und Nutzung von Energie. Die Industrie ist gefordert, innovative Lösungen zu entwickeln,
mit denen sich CO2-Emissionen im Sinne eines nachhaltigen Umweltschutzes bei gleichzeitiger Schonung
der knapper werdenden Ressourcen reduzieren lassen.
Mit dieser Ausgabe von ThyssenKrupp techforum möchten wir Ihnen einige der vielfältigen Leistungen
unseres Konzerns in diesem Themenbereich vorstellen.
Werkstoffseitig berichten wir über nichtrostende Stähle, die bei der Aufbereitung von Meerwasser zu
Trinkwasser Verwendung finden und die für den automobilen Leichtbau aufgrund hervorragender Eigenschaften
eingesetzt werden. Neue Nickellegierungen sowie niedrig legierte Stahlsorten finden in Dampfturbinen
von Kraftwerken mit höheren Wirkungsgraden Verwendung. Der Einsatz von höher- und höchstfesten
Stahlsorten trägt bei innovativen Pkw-Achsträgern zum Leichtbau und somit zur Emissionsreduzierung
bei. Emissionen lassen sich auch durch geeignete Maßnahmen im Rahmen der Herstellung von
Weißzement, bei der Müllverbrennung sowie bei energetisch effizienteren Banddurchlaufanlagen zur
Herstellung von Stahlblechen senken. Im Transportbereich werden durch den Einsatz von energieeffizienten
Magnetschwebebahnen, wie dem Transrapid, Schadstoff- und Schallemissionen reduziert. Umweltorientierte
Technologien und Verfahren finden auch im Tagebau und im Tiefbau Anwendung. Eine Wissensdatenbank
wurde entwickelt, um die Umweltrelevanz von Produkten und Entfallstoffen bewerten zu können. Auch im
Rahmen der immer mehr an Bedeutung gewinnenden erneuerbaren Energien leistet ThyssenKrupp u.a.
durch die Produktion von Großwälzlagern, die in Windenergieanlagen zum Einsatz kommen, einen Beitrag.
Schließlich wird am Beispiel eines Kupolofen-Projektes gezeigt, wie Unternehmen ihre Produktionsverfahren
an neue Umweltbestimmungen anpassen.
ThyssenKrupp ist sich seiner gesellschaftlichen Verantwortung beim nachhaltigen Umweltschutz durch
Emissionsreduzierung sowie Ressourceneffizienz bewusst und handelt entsprechend. Wir wollen Ihnen
dieses mit den Beiträgen dieser Ausgabe vermitteln. Ich wünsche Ihnen viel Freude bei der Lektüre.
Dr.-Ing. Ekkehard D. Schulz,
Vorsitzender des Vorstands der ThyssenKrupp AG
ThyssenKrupp techforum 2 | 2007
Vorwort | 3

4 | Inhalt
10 | 16 |
24 |
28 |
10 | DFI-Oxyfuel-Verfahren zur Energieeinsparung, Leistungs- und Qualitätssteigerung
von Banddurchlaufanlagen
DR.-ING. HERBERT EICHELKRAUT Direktor Standort Bruckhausen | ThyssenKrupp Steel AG, Duisburg
DIPL.-ING. HANS-JOACHIM HEILER Teamkoordinator | ThyssenKrupp Steel AG, Finnentrop
20 |
DIPL.-ING. HANS PETER DOMELS Teamleiter Energie/Anlagenwirtschaft | ThyssenKrupp Steel AG, Duisburg
WERNER HÖGNER Fachkoordinator Energie/Anlagenwirtschaft | ThyssenKrupp Steel AG, Duisburg
Mit der Entwicklung des Verfahrens ’Direct Flame Impingement (DFI)-Oxyfuel’, der direkten Beaufschlagung von
Wärmgut mit einer Sauerstoff-Brenngas-Flamme, ist es gelungen, die Ofentechnik an Banddurchlaufanlagen weiterzuentwickeln.
Zusammen mit dem Kooperationspartner Linde wurde das Verfahren erstmals an einer Feuerbeschichtungsanlage
von ThyssenKrupp Steel im Werk Finnentrop eingesetzt. Dort erbrachte es von Anfang an hervorragende
Ergebnisse in Bezug auf Steigerung der Durchsatzleistung, Produktqualität, Qualitätsverbesserung der Anlage, Energieeffizienz
und somit auch Minderung der direkten CO2-Emissionen. Eine weitere Bandverzinkungs- und Aluminierungsanlage
im Werk Duisburg-Bruckhausen ist inzwischen ebenfalls mit dieser Technologie im Einsatz.
16 | Entwicklung einer Wissensdatenbank zur Bewertung der Umweltrelevanz von Produkten,
Nebenprodukten und Entfallstoffen
DR. RER. NAT. ALFONS ESSING Projektkoordinator, Werkstoffkompetenzzentrum | ThyssenKrupp Steel AG, Duisburg
DIPL.-INFORM. AXEL TEICHMANN Teamleiter Informationstechnik, Werkstoffkompetenzzentrum | ThyssenKrupp Steel AG, Duisburg
Die vielfältigen gesetzlichen Regelungen und die daraus resultierenden Kundenspezifikationen führen zu verstärkten
Anforderungen an die umweltgerechte Herstellung, Verwendung und Entsorgung der Produkte von ThyssenKrupp Steel.
Um die Vielzahl der Anforderungen zu bündeln und eine schnelle und eindeutige Entscheidungshilfe anbieten zu
können, wird eine Wissensdatenbank zur Bewertung der Umweltrelevanz von Produkten, Nebenprodukten und Entfallstoffen
aufgebaut. Hier werden alle relevanten produktspezifischen Informationen, wie z.B. Recyclingfähigkeit,
Angaben zu Inhaltsstoffen und das Gefährdungspotenzial von einzelnen Stoffen, gesammelt sowie jederzeit schnell
und aussagekräftig zur Verfügung gestellt. Durch die logische Verknüpfung der gespeicherten Produktdaten mit den
ebenfalls abgelegten Richtlinien, Normen oder kundenspezifischen Anforderungen ist gleichzeitig eine schnelle Analyse
auf Konformität möglich.
ThyssenKrupp techforum 2 | 2007

ThyssenKrupp techforum 2 | 2007
Inhalt I 5
20 | StahlLeichtbau-Chassis SLC – die innovative und kostengünstige Leichtbaulösung für Pkw-Achsträger
DIPL.-ING. PETER SEYFRIED Leitung Leichtbau & InnovationsZentrum Auto (LIZA) | ThyssenKrupp Steel AG, Dortmund
DIPL.-ING. ULF SUDOWE Leiter Engineering Chassis | ThyssenKrupp Umformtechnik GmbH, Bielefeld
Halb so teuer wie die Referenz, eine Aluminium-Lösung aus der Oberklassen-Großserie, und nur 5 % schwerer ist der
innovative Hinterachsträger: Das StahlLeichtbau-Chassis SLC genannte Konzept ist das Ergebnis enger Zusammenarbeit
zwischen ThyssenKrupp Steel, ThyssenKrupp Umformtechnik und ThyssenKrupp Automotive Systems. Das
Konzept überzeugt durch seine optimale Mischung aus Werkstoffexpertise, Werkzeug- und System-Know-how.
24 | Nichtrostende Stähle für Meerwasserentsalzungsanlagen
DR.-ING. GEORG UHLIG Technischer Produktmanager | ThyssenKrupp Nirosta GmbH, Krefeld
Mit Hilfe von Meerwasserentsalzungsanlagen kann Trinkwasser mit niedrigen Chloridgehalten erzeugt werden. Nichtrostende
Stähle bilden dabei einen elementaren Bestandteil für die verschiedenen Verfahrenstechnologien. Aufgrund
des steigenden Bedarfes an Trinkwasser speziell in den arabischen Staaten, aber auch in Südeuropa, stellen Meerwasserentsalzungsanlagen
ein sehr interessantes Anwendungsgebiet für nichtrostende Stähle mit steigender wirtschaftlicher
Bedeutung dar.
28 | Leistungsstark und umweltfreundlich – Einsatz moderner hochfester Rostfrei-Stähle
in der Automobilindustrie
ING. ANDREA BRUNO Produktmanager | ThyssenKrupp Acciai Speciali Terni SpA, Terni/Italien
Rostfrei-Stähle sind zwar in erster Line wegen ihrer Korrosionsbeständigkeit bekannt, doch sie besitzen darüber
hinaus – und insbesondere die neue Klasse austenitischer N-Mn-Sorten – hervorragende mechanische Eigenschaften.
In der Transportbranche, speziell im Automobilsektor, haben sich diese Eigenschaften als erfolgreich nutzbar erwiesen,
insbesondere bei der Konstruktion von Fahrzeugen, die nicht nur umweltfreundlich, sondern auch äußerst leistungsfähig
und deshalb auf dem Markt begehrt sind.

6 | Inhalt
34 | 40 | 48 |
54 | 60 |
34 | Große geschmiedete Wellen für Kraftwerksturbinen
DIPL.-ING. STEFANO NERI Qualitätsmanagement | Società delle Fucine S.r.l., Terni/Italien
DIPL.-ING. DANIELE MARSILI Metallurgie | Società delle Fucine S.r.l., Terni/Italien
DR. RER. OEC. GIOVANNI SANSONE Vertriebsmanagement Kraftwerkskomponenten | Società delle Fucine S.r.l., Terni/Italien
Die ständigen Bemühungen um höhere Effizienz und geringere Emissionen von großen Wärmekraftwerken haben den
Trend zu immer höheren Dampftemperaturen und -drücken sowie modernster Turbinentechnologie mit sich gebracht.
Vor diesem Hintergrund hat die italienische Società delle Fucine (SdF), ein Unternehmen der ThyssenKrupp Acciai
Speciali Terni, die Rotorwelle der größten Hochdruckdampfturbine der Welt hergestellt und an Siemens geliefert. Das
Kraftwerk mit dem Namen Olkiluoto 3 befindet sich inmitten einer einsamen finnischen Landschaft. Als Rohling für
diese Hochdruckturbinenwelle hat SdF einen riesigen, ca. 230 t schweren Gussblock aus niedriglegiertem Spezialstahl
verwendet.
40 | Nickellegierungen für Kraftwerke der Zukunft
DR.-ING. JUTTA KLÖWER Leiterin Forschung und Entwicklung | ThyssenKrupp VDM, Werdohl
DR. RER. NAT. BODO GEHRMANN Projektleiter Superlegierungen, Forschung und Entwicklung | ThyssenKrupp VDM, Werdohl
Wirkungsgradsteigerungen in fossil befeuerten Kraftwerken führen zunehmend zu höheren Temperaturen sowie Drücken
und machen den Einsatz von Nickellegierungen erforderlich. In der Gasturbine der Gas- und Dampfkraftwerke haben
Superlegierungen auf Nickelbasis bereits ihren festen Platz gefunden. Mit der Entwicklung der 700-°C-Technologie für
Kohlekraftwerke werden Nickellegierungen in der nächsten Kraftwerksgeneration nun auch in Kessel und Dampfturbinen
eingesetzt werden. ThyssenKrupp VDM hat gemeinsam mit Kraftwerksbetreibern und Herstellern von Kraftwerkskesseln
mit der Legierungsvariante Nicrofer 5520CoB-alloy 617B einen Werkstoff entwickelt, der bereits seine Eignung für
das 700-°C-Kraftwerk in einer Pilotanlage bewiesen hat.
ThyssenKrupp techforum 2 | 2007

48 | Umweltfreundliche und energetisch effiziente Weißzementherstellung mit modernster Technologie
ThyssenKrupp techforum 2 | 2007
DIPL.-ING. LUIS LAGAR-GARCÍA Fachbereich Forschung und Entwicklung, Leiter Wärme- und Umwelttechnik | Polysius AG, Neubeckum
DR.-ING. DIETMAR SCHULZ Leiter Forschung und Entwicklung | Polysius AG, Neubeckum
Die Herstellung von Zement ist ein energieintensiver Prozess, da die eingesetzten Rohstoffe bei über 1.400 °C
gebrannt werden müssen. Das Potenzial, Emissionen zu senken, ist daher gerade bei älteren Anlagen groß.
Das Beispiel einer Weißzementanlage zeigt, dass durch den Einsatz modernster Technologie eine deutliche
Emissionsminderung auch unter wirtschaftlichen Gesichtspunkten möglich ist.
54 | Emissionsreduzierung durch Einsatz kontinuierlicher Tagebautechnik
DR.-ING. VIKTOR RAAZ Projektleiter Forschung & Entwicklung, Abt. Business Development | ThyssenKrupp Fördertechnik GmbH, Essen
DIPL.-ING. BERGBAU ULRICH MENTGES Manager Vertrieb und Bergbauplanung | ThyssenKrupp Fördertechnik GmbH, Essen
Inhalt | 7
Eine Systemveränderung im weltweiten Tagebau hin zu kontinuierlicher Tagebautechnik führt nicht nur zu einer
Senkung der laufenden Betriebskosten, sondern – wie in einem laufenden Forschungsvorhaben untersucht –
insbesondere auch zu einem Einsparungspotenzial an CO2-Emissionen. Auf dem wachsenden Rohstoffmarkt können
vor allem neu konzipierte vollmobile Brechanlagen in Kombination mit innovativer Bandanlagentechnik gegenüber
herkömmlichem Truck-Transport Reduzierungen des CO2-Ausstoßes in Größenordnungen von bis zu 150.000 Tonnen
pro Jahr und pro installiertem System in der Rohstoffgewinnung erzielen.
60 | Kupolofen-Projekt – Reaktion auf den MACT-Standard
WILLIAM POWELL (B.S. MET. E.) Direktor Schmelz- und Guss-Technologien | ThyssenKrupp Waupaca, Inc., Waupaca, Wisconsin/USA
JEFFREY LOEFFLER (B.S. CH. E.) Umweltkoordinator | ThyssenKrupp Waupaca, Inc., Waupaca, Wisconsin/USA
Das Werk 1 des Unternehmens ThyssenKrupp Waupaca nahm im Januar 2007 den Betrieb eines neuen Kupolofensystems
zum Schmelzen von Eisen auf. Dieses bedeutende Projekt war die Reaktion auf neue Umweltbestimmungen
für die US-Gussindustrie und bot gleichzeitig die Möglichkeit, die Produktion in dieser Anlage zu steigern.

8 | Inhalt
66 | 74 | 82 |
90 |
66 | CO2-freie Energieumwandlung dank Rothe Erde Großwälzlager
DR.-ING. UWE BREUCKER Hauptabteilungsleiter Qualitätsmanagement, Forschung und Erprobung | Rothe Erde GmbH, Lippstadt
Eine Form der CO2-freien Energieumwandlung liefert die Windtechnik, welche die kinetische Energie des Windes
in elektrische Energie umsetzt. Rothe Erde hat diese Technik bereits im Entwicklungsstadium begleitet. Das Lieferprogramm
für Windkraftanlagen umfasst wichtige Komponenten, wie z.B. Blattlager, Turmlager und Rotorlager.
Technische Lösungen für Forderungen, wie Minimierung der Riffelbildung, Optimierung des Schmierstoffes und
der Abdichtung sowie hoher Korrosionsschutz, sind im FuE-Zentrum von Rothe Erde erarbeitet worden. Die
Dimensionierung der Großwälzlager erfolgt mittels eigens entwickelter Finite-Elemente Software. Auch in andere
Gebiete der CO2-freien Stromerzeugung, wie Gezeitenströmungen und Solartechnik, haben Großwälzlager von
Rothe Erde Einzug gefunden.
74 | Transrapid – die Verkehrstechnik für umweltverträgliche Mobilität
DR.-ING. FRIEDRICH LÖSER Geschäftsführung | ThyssenKrupp Transrapid GmbH, München
DR. RER. NAT. QINGHUA ZHENG Leiter Systemtechnik | ThyssenKrupp Transrapid GmbH, München
Mit der Realisierungsvereinbarung für das Transrapid-Projekt München Hauptbahnhof/Flughafen zwischen dem
Freistaat Bayern, der Deutsche Bahn AG und dem Konsortium der System- und Bauindustrie wurde eine wesentliche
Voraussetzung geschaffen, dass die Transrapid-Technologie ihre vorteilhaften Eigenschaften auch in Deutschland
unter Beweis stellen kann. Der Beitrag erläutert die für die Umweltverträglichkeit wesentlichen Eigenschaften bzgl.
Schall-, Schadstoffemission sowie Energieeffizienz und stellt das Prototypfahrzeug TR09 für Flughafenanbinder vor.
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82 | Wassergekühlter Vorschubrost für eine rückstandsarme Müllverbrennung
ThyssenKrupp techforum 2 | 2007
DIPL.-ING. WERNER AUEL Leiter Feuerungsbau | ThyssenKrupp Xervon Energy GmbH, Duisburg
PETER DIEKMANN Öffentlichkeitsarbeit | ThyssenKrupp Services AG, Düsseldorf
Eine effizientere Verbrennung, geringere Emissionen sowie deutlich niedrigere Betriebs- und Instandhaltungskosten –
das garantiert das Feuerungskonzept von ThyssenKrupp Xervon Energy. Herzstück des Systems ist ein Vorschubrost
mit patentierter Wasserkühlung. Er sorgt für einen höheren Durchsatz und einen besseren Ausbrand. Vor allem aber
ermöglicht er auch das Verbrennen von Brennstoffen mit hohen Heizwerten. Der energetische Umsatz des Brennstoffes
legt die erforderliche Kühlwirkung für den Rostbelag fest. Die Wasserkühlung nimmt hier bezüglich der Standzeit und
der Variabilität der Verbrennungsluftverteilung einen hohen Stellenwert ein. Die Möglichkeiten zur Einbindung des über
den Rostbelag ausgekoppelten Wärmestromes in den Energieprozess haben einen Einfluss auf den Anlagenwirkungsgrad.
90 | Zukunftweisende bautechnische Verfahren schonen die Umwelt
DR.-ING. BERND BERGSCHNEIDER Geschäftsführer Vertrieb und Technik | ThyssenKrupp Bauservice GmbH, Hückelhoven
Inhalt | 9
Produkte und Dienstleistungen von Emunds+Staudinger, ein Geschäftsbereich der ThyssenKrupp Bauservice GmbH,
tragen zu rationellen, sicheren und wirtschaftlich erfolgreichen Bauabläufen bei vielen Tiefbauprojekten im In- und
Ausland bei. Das Unternehmen bietet den Baupartnern Lösungen nach Maß. Hierzu zählen ein baustellengerechter
Service, Beratung auf hohem Niveau, eine umfassende Projektbetreuung und eine fristgerechte Lieferung der für
die jeweilige Baumaßnahme ausgewählten Systeme. Gemeinsam mit mittelständischen Unternehmen und großen
Konzernen entwickelt Emunds+Staudinger überzeugende Konzepte, die sich rechnen. Die eingesetzten Produkte und
Verfahren sind auf die jeweiligen Baumaßnahmen zugeschnitten und sorgen für reibungslose Bauabläufe. Dabei trägt
das Unternehmen auch den hohen Anforderungen des Umweltschutzes Rechnung. Zum Beispiel mit der Entwicklung
und dem Einsatz umweltorientierter Technologien und Verfahren, wie dem Terra-Star Recycler zur Bodenaufbereitung,
mobilen Baustraßensystemen oder dem so genannten tiefergehenden Linearverbau.

10 |
| Brenneranordnung DFI-Booster (oben), DFI-Hüllflamme (unten)
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DFI-Oxyfuel-Verfahren zur Energieeinsparung,
Leistungs- und Qualitätssteigerung
von Banddurchlaufanlagen
DR.-ING. HERBERT EICHELKRAUT Direktor Standort Bruckhausen | ThyssenKrupp Steel AG, Duisburg
DIPL.-ING. HANS-JOACHIM HEILER Teamkoordinator | ThyssenKrupp Steel AG, Finnentrop
DIPL.-ING. HANS PETER DOMELS Teamleiter Energie/Anlagenwirtschaft | ThyssenKrupp Steel AG, Duisburg
WERNER HÖGNER Fachkoordinator Energie/Anlagenwirtschaft | ThyssenKrupp Steel AG, Duisburg
Mit der Entwicklung des Verfahrens ’Direct Flame Impingement (DFI)-Oxyfuel’, der direkten Beaufschlagung
von Wärmgut mit einer Sauerstoff-Brenngas-Flamme, ist es gelungen, die Ofentechnik an Banddurchlaufanlagen
weiterzuentwickeln. Zusammen mit dem Kooperationspartner Linde wurde das Verfahren erstmals
an einer Feuerbeschichtungsanlage von ThyssenKrupp Steel im Werk Finnentrop eingesetzt. Dort erbrachte
es von Anfang an hervorragende Ergebnisse in Bezug auf Steigerung der Durchsatzleistung, Produktqualität,
Qualitätsverbesserung der Anlage, Energieeffizienz und somit auch Minderung der direkten CO2-Emissionen.
Eine weitere Bandverzinkungs- und Aluminierungsanlage im Werk Duisburg-Bruckhausen ist inzwischen
ebenfalls mit dieser Technologie im Einsatz.
Leistungssteigerung an Banddurchlaufanlagen
ThyssenKrupp Steel bedient in zunehmendem Maße den Markt mit
durch metallische Schutzschichten (Zink und Aluminium) veredeltem
Kalt- sowie Warmband und betreibt zu diesem Zwecke heute in
mehreren Ländern neun eigene Anlagen und eine weitere im Joint-
Venture mit einem chinesischen Partner. Für das kontinuierliche galvanische
Verzinken von Coils gibt es zwei unterschiedliche Anlagentypen,
sog. Horizontal- und Vertikalanlagen mit den entsprechenden
Ofenbauarten I Bild 1 I. Diese Art der kontinuierlich arbeitenden
Verzinkungsanlagen stellt eine Kombination mehrerer Prozessstufen
in einer Anlage dar: Das Band wird im einem Banddurchlauf durch
die Anlage gereinigt, wärmebehandelnd geglüht, verzinkt, eventuell
nachgeglüht (galvanealed), dressiert und adjustiert.
In den letzten Jahren wurden bei ThyssenKrupp Steel überwiegend
Vertikalanlagen errichtet, aber auch die Horizontalanlagen haben ihre
Besonderheiten, z.B. für das Verzinken von Warmband und speziellen
Stahlqualitäten. Allen Anlagen gemein ist die Forderung, kontinuierlich
Möglichkeiten der Leistungssteigerung mit wirtschaftlichsten Maß-
ThyssenKrupp techforum 2 | 2007
| 11
nahmen auszuschöpfen. Dies bedingt, dass leistungssteigernde
Veränderungen ohne größere Umbauten und Ofenverlängerungen
bei gegebenen Hallenlängen in die vorhandene Anlagenstruktur
integriert werden müssen. Dazu ist im Vorfeld jeweils eine umfangreiche
Systemanalyse der vorhandenen Anlage erforderlich, um die
Engpassaggregate der jeweiligen Produktionslinie zu ermitteln. Liegt
der Engpass für einen großen Teil der Produktpalette einer Banddurchlaufanlage
im Ofenteil, so waren bisher stets eine höchst aufwendige
Verlängerung der Ofenstrecke und eine Leistungserhöhung
der Beheizung erforderlich. Alternativ wurden an einigen Anlagen
Leistungssteigerungen erreicht, indem das Band mit einem vorgeschalteten
elektrisch betriebenen Induktions-Booster nach Bedarf
zusätzlich aufgewärmt wird.
Neue Möglichkeiten der Leistungssteigerung eröffneten sich nach
Entwicklung und Anpassung der Direct Flame Impingement-Oxyfuel-
Technologie an die Verhältnisse der Bandbeschichtungsanlage.
Zusammen mit dem Unternehmen Linde, das bereits Erfahrungen
mit derartiger Beheizungstechnik an Edelstahl-Glühanlagen in Skandi-

12 | DFI-Oxyfuel-Verfahren zur Energieeinsparung, Leistungs- und Qualitätssteigerung von Banddurchlaufanlagen
navien gemacht hatte, wurde das Verfahren weiterentwickelt und in
der Feuerbeschichtungsanlage FBA 3 erstmals großtechnisch für die
Erwärmung von Qualitätsflachstahl eingesetzt, ohne dass die Ofengesamtlänge
geändert werden musste.
Energetischer Vorteil der DFI-Oxyfuel-Technologie
Die Beheizung von Wärmöfen mit der Oxyfuel-Technologie ist bereits
länger bekannt als eine Maßnahme zur Leistungssteigerung und
Energieeinsparung mit höchsten Prozesstemperaturen. Als einfacher
Einstieg in die Oxyfuel-Technologie wird in speziellen Feuerungen die
Verbrennungsluft zusätzlich mit Sauerstoff angereichert. Der Vorteil
dieser Maßnahme liegt in der Reduzierung des Stickstoffanteiles, der
als Ballast in der Feuerung ebenfalls auf Prozesstemperatur erwärmt
werden muss und lediglich einen geringen Beitrag zur Erwärmung des
Einsatzgutes leisten kann. Je höher der Grad der Sauerstoffanreicherung
gewählt werden kann, desto weniger macht sich der nachteilige
Einfluss des inerten Stickstoffes bemerkbar. Der Wärmeverlust, der
durch die Abführung des heißen Verbrennungsgases am Ende des
Erwärmungsprozesses auftritt, wird somit immer weiter minimiert. In
gleichem Maße steigt der sog. feuerungstechnische Wirkungsgrad als
Maßzahl für die Effizienz eines Ofens an.
Die Anreicherung der Brennluft kann in technischen Feuerungen
bis zum Einsatz von reinem Sauerstoff als Oxidationsmittel reichen.
Die durch die Sauerstofferzeugung verursachten Kosten haben in der
Vergangenheit jedoch nur bei wenigen Projekten spezieller Feuerungsanlagen
eine ausreichende Wirtschaftlichkeit – meist nur in Verbindung
mit Leistungssteigerungen – erreichen lassen, z.B. an den Pfannenfeuern
im Stahlwerk. Bei Verbrennung von Erdgas mit reinem Sauerstoff
entsteht ein Verbrennungsgas, das idealerweise lediglich die
Bestandteile Wasserdampf und Kohlendioxid enthält. Beides sind
Gase, die gegenüber Stickstoff ausgezeichnete Strahlungseigeschaften
für die Wärmeübertragung besitzen. Bei den hohen erreichbaren
Flammentemperaturen konnte somit gegenüber der konventionellen
Verbrennung mit Luft eine deutlich bessere Wärmeübertragung an
ein Wärmgut erreicht werden I Bild 2 I.
Neue Möglichkeiten für die Sauerstoff-Erdgasflamme eröffneten
sich durch die Kombination mit der Technik des Direct Flame Impingements,
d.h. der direkten Beaufschlagung des Wärmgutes mit einer
Flamme, als ein hocheffizienter Effekt zur Steigerung der Wärmeübertragung.
Gegenüber einer konventionellen Feuerung, bei der die
Wärmeübertragung überwiegend durch Strahlung und nur untergeordnet
durch Konvektion erreicht wird, steigt der Wärmeübegangskoeffizient
als Maßzahl für die Übertragung etwa um den Faktor 10.
Da Oxyfuel-Brenner in Relation zur Gas-Luft-Verbrennung nur kurze
kompakte Flammen erzeugen (Hüllflamme), muss für die Anwendung
der DFI-Oxyfuel-Technologie eine große Anzahl von kleinen Brennern
zu einer Einheit, der sog. Brennerrampe, zusammengebaut werden
I Bild 3 I. Mehrere Rampen auf der Ober- und Unterseite des Wärmgutes
ergeben eine sog. Boostereinheit, die in kompakter Bauform
mit hoher Leistungsdichte relativ einfach in den vorderen Teil von
bestehenden Banddurchlaufanlagen am Ende oder alleine als kompletter
Ofen eingebaut werden können.
Anwendung von DFI-Oxyfuel an vorhandenen Öfen
Aus den Laborversuchen an einer Testanlage des Unternehmens
Linde in Schweden wurden die Grundlagen für eine Anwendung der
DFI-Oxyfuel-Technologie an einer Wärmofenanlage für Band ermittelt.
Das Ergebnis war die Konzeption einer nur 2 m langen DFI-Oxyfuel-
Boostereinheit, bestehend aus 4 Brennerrampen mit insgesamt 120
Oxyfuel-Flammen, die eine max. Brennerleistung von 5.000 kW darstellen.
Durch Ausprägung aller Einzelflammen zu einer dem Material
umspannenden Hüllflamme wird eine gleichmäßige Oberflächenbehandlung
erreicht. Anlagentechnisch wurde außerdem der Platz für
zwei weitere Brennerrampen vorgesehen, die zusätzliche 2.500 kW
Heizleistung erbringen können.
Durch diese kompakte Bauform war es möglich, den Booster als
erste Stufe der Erwärmung in den Ofen unmittelbar am Einlauf zu
integrieren, ohne den Ofen zu verlängern. Somit konnten erhebliche
Umbaumaßnahmen an der Gesamtanlage umgangen werden: Ohne
den Einsatz der DFI-Oxyfuel-Booster hätte der vorhandene Ofen der
FBA 3 in Finnentrop um etwa 10 m im Vorwärmteil verlängert werden
müssen, um die gleiche Leistungssteigerung zu erreichen.
Für die Anwendung dieses Boosters an der FBA 3 ergab sich im
Laufe der Planung die Möglichkeit, den Anlagenstillstand für den
Einbau auf 12 Tage zu begrenzen. Der konventionelle Umbau mit
Verlängerung des Vorwärmofens und des dann notwendigen Versetzens
der Einlaufrollen am Ofenanfang hätte erheblich längere Stillstandszeiten
erfordert.
Auswirkungen auf den Ofenbetrieb
Die vorliegenden Betriebsergebnisse belegen, dass die Kapazität
der Ofenanlage um 30 % gesteigert werden konnte. Dies wurde
möglich, da der thermische Wirkungsgrad des Boosters bei etwa
85 % und damit deutlich über dem Wirkungsgrad der konventionellen
Beheizungstechnik bzw. der induktiven Boosteranlagen liegt. Die
Nennleistung der Verzinkungsanlage FBA 3 lag vor dem Umbau bei
82 t/h und konnte durch den DFI-Oxyfuel-Booster auf maximal 109 t/h
gesteigert werden. Durch die gezielte Anpassung der betriebenen
ThyssenKrupp techforum 2 | 2007

Vertikaler Ofen
Horizontaler Ofen
Zinkbad
Zinkbad
Bild 1 | Ofenbauarten von Banddurchlaufanlagen
ThyssenKrupp techforum 2 | 2007
DFI-Oxyfuel-Verfahren zur Energieeinsparung, Leistungs- und Qualitätssteigerung von Banddurchlaufanlagen | 13
Kühlstrecke
Reduktionsofen
Kühlstrecke
Reduktionsofen
Vorwärmofen konvektiv
Booster
Bandeinlauf
Vorwärmofen beheizt
Bandeinlauf
Vorwärmofen konvektiv
Booster

14 | DFI-Oxyfuel-Verfahren zur Energieeinsparung, Leistungs- und Qualitätssteigerung von Banddurchlaufanlagen
relative Wärmestromdichte [%]
1.200
1.100
1.000
900
800
700
600
500
400
300
200
100
0
Air-Fuel
Bild 2 | Verbesserte Wärmeübertragung durch DFI-Oxyfuel-Flammen
Oxyfuel-Brenner an die jeweils aktuelle Bandbreite stellt sich nach
ersten Messungen und Beobachtungen eine gleichmäßigere Erwärmung
über die Bandbreite ein, was zu verbesserten Glüheigenschaften
führt.
Die Technik bietet weiterhin die Möglichkeit, auf einfache Weise
eine kontrollierte Voroxidation des Bandes zu erreichen. Dies wird
in zunehmendem Maße bei der Herstellung bestimmter Qualitäten
in den Bandverzinkungsanlagen erforderlich.
Vorteil für die Bandreinigung
Oxyfuel DFI-Oxyfuel
Vorlaufende Labortests ließen überraschend erkennen, dass die DFI-
Oxyfuel-Technologie noch einen weiteren wesentlichen Vorteil beim
Einsatz an Bandverzinkungsanlagen aufweisen könnte: Der direkte
Kontakt der Flamme mit dem Bandmaterial befreite die Bandoberfläche
von unerwünschten Fremdstoffen wie Emulsionen, Ölen, Schmierstoffen
und Partikeln aus dem Kaltwalzprozess. Die Erwartungen aus
den Vorversuchen wurden inzwischen im Anlagenbetrieb der FBA 3
bestätigt, sodass die Anforderungen für eine hochqualitative Metalllauflage
sicher erfüllt werden. Dadurch war es möglich, über eine
reine Leistungssteigerung hinaus auch die konventionelle mechanische
und elektrolytische Bandreinigung aus dem Fertigungsprozess zu entfernen
und lediglich mit dem DFI-Oxyfuel-Booster das Band zu reinigen.
Diese Maßnahme der Leistungssteigerung trägt durch den verbesserten
Wirkungsgrad gleichzeitig dazu bei, den spezifischen Brenngaseinsatz
der Produktionsanlage zu vermindern. Aus den Ergebnissen
der inzwischen mehrmonatigen Betriebszeit hat sich gezeigt, dass bei
Einsatz des DFI-Oxyfuel-Boosters der spezifische Brenngasverbrauch
um 5,2 % gesenkt werden konnte. Bei der typischen Produktion der
Verzinkungsanlage von 36.000 t/Monat werden damit im Jahr fast
450.000 m3 Erdgas eingespart. Mit dieser Menge können etwa 500
moderne Einfamilienhäuser ein Jahr lang beheizt werden.
Der verminderte Gasverbrauch bedeutet auch eine Verringerung
der Emission an Kohlendioxid, sodass monatlich ca. 95 t CO2 weniger
erzeugt werden. Durch die Verbrennung von Erdgas mit reinem Sauerstoff
werden durch den fehlenden Stickstoff trotz der hohen Prozesstemperaturen
kaum Stickoxide gebildet. Die verbleibenden NOX-Emissionen
der Gesamtanlage (der größte Anteil stammt vom Abgas des
unveränderten Ofenteiles mit Erdgas-Luft-Verbrennung) konnten somit
infolge des Boosteranteils bezogen auf die gesamte Heizleistung um
20 % reduziert werden.
ThyssenKrupp techforum 2 | 2007

Ausblick
Der Erfolg der Anwendung des Oxyfuel-Boosters mit DFI-Technologie
hat dazu geführt, dass inzwischen auch die Horizontalanlage FBA 1
im Werk Duisburg-Bruckhausen damit ausgerüstet wurde, sie ist im
September 2007 in Betrieb gegangen. Für weitere Banddurchlaufanlagen
werden zzt. die Wirtschaftlichkeiten derartiger Ofenerweiterungen
ermittelt.
Für die technisch anders ausgeführten vertikalen Verzinkungsanlagen
werden ebenfalls Überlegungen zum Einsatz eines DFI-Oxyfuel-
Boosters angestellt. Hier ist die Integration in bestehende Anlagen
jedoch aus verfahrenstechnischen Gründen schwieriger.
Bild 3 | Einbausituation des DFI-Oxyfuel-Boosters an der FBA 3
ThyssenKrupp techforum 2 | 2007
DFI-Oxyfuel-Verfahren zur Energieeinsparung, Leistungs- und Qualitätssteigerung von Banddurchlaufanlagen | 15
Es sind bereits Gespräche mit Anlagenbauern für die Errichtung
von vier modernen Vertikal-Verzinkungsanlagen für den Standort
des neu zu errichtenden Werkes in Alabama/USA aufgenommen
worden. Die durch die DFI-Oxyfuel-Booster mögliche kompaktere
Anlagenbauweise und damit der Entfall von bis zu 40 Strahlrohren
sowie einer Bandreinigungseinheit könnten Vorteile auch in diesem
Projekt bieten.
Weitere Einsatzgebiete der DFI-Oxyfuel-Booster könnten in kontinuierlichen
Bandglüh- und Erwärmungsanlagen bzw. CSP (Compact Strip
Production) und Grobblechdurchlauföfen liegen. Auch hierzu werden
zzt. technische und wirtschaftliche Untersuchungen durchgeführt.

16 |
| Ergebnisdarstellung in der Wissensdatenbank am Beispiel Stahlwerksschlacke
ThyssenKrupp techforum 2 | 2007

Entwicklung einer Wissensdatenbank zur
Bewertung der Umweltrelevanz von Produkten,
Nebenprodukten und Entfallstoffen
DR. RER. NAT. ALFONS ESSING Projektkoordinator, Werkstoffkompetenzzentrum | ThyssenKrupp Steel AG, Duisburg
DIPL.-INFORM. AXEL TEICHMANN Teamleiter Informationstechnik, Werkstoffkompetenzzentrum | ThyssenKrupp Steel AG, Duisburg
Die vielfältigen gesetzlichen Regelungen und die daraus resultierenden Kundenspezifikationen führen zu
verstärkten Anforderungen an die umweltgerechte Herstellung, Verwendung und Entsorgung der Produkte
von ThyssenKrupp Steel. Um die Vielzahl der Anforderungen zu bündeln und eine schnelle und eindeutige
Entscheidungshilfe anbieten zu können, wird eine Wissensdatenbank zur Bewertung der Umweltrelevanz von
Produkten, Nebenprodukten und Entfallstoffen aufgebaut. Hier werden alle relevanten produktspezifischen
Informationen, wie z.B. Recyclingfähigkeit, Angaben zu Inhaltsstoffen und das Gefährdungspotenzial von
einzelnen Stoffen, gesammelt sowie jederzeit schnell und aussagekräftig zur Verfügung gestellt. Durch die
logische Verknüpfung der gespeicherten Produktdaten mit den ebenfalls abgelegten Richtlinien, Normen
oder kundenspezifischen Anforderungen ist gleichzeitig eine schnelle Analyse auf Konformität möglich.
Anforderungen an die Wissensdatenbank
Die Anforderungen an Produkte bezüglich umweltgerechter Herstellung,
Verwendung und Entsorgung nehmen nicht zuletzt durch die Umweltgesetzgebung
ständig zu. Die Kunden haben mit entsprechenden
Konformitätsanfragen und auch eigenen, spezifischen Anforderungen
reagiert und werden dies auch zukünftig weiterhin tun.
Je nach Einsatzzweck der Produkte sind unterschiedlichste Informationen
relevant. Zur Bündelung des vorhandenen, allerdings auf
viele Mitarbeiter verteilten, umfangreichen Wissens zu dieser Thematik
bietet sich der Aufbau einer Wissensdatenbank an. Hierzu wurde
folgendes Anforderungsprofil definiert:
ThyssenKrupp techforum 2 | 2007
| 17
Die Wissensdatenbank versteht sich als Sammlung von Wissen
und Fakten, verbunden mit einer klaren Strukturierung aller
Informationen.
Durch die Implementierung von benutzerfreundlichen Such- und
Auswertefunktionalitäten soll sie eine komfortable und vor allem
effektive Möglichkeit darstellen, das hinterlegte Wissen vielen
berechtigten Personen zur Verfügung zu stellen.
Die logische Verknüpfung der gespeicherten Produktdaten mit den
ebenfalls abgelegten Richtlinien, Normen oder kundenspezifischen
Anforderungen erlaubt eine schnelle Analyse auf Konformität.
Die Bedürfnisse und Anforderungen der Kunden stehen im Vordergrund
der Betrachtungen.

18 | Entwicklung einer Wissensdatenbank zur Bewertung der Umweltrelevanz von Produkten, Nebenprodukten und Entfallstoffen
Um eine hohe Praxisrelevanz zu gewährleisten, wurden von Beginn
an alle potenziellen Anwender vom Vertrieb der Hauptprodukte über
den Verkauf der Nebenprodukte bis hin zu den Entsorgungsbetrieben
in ein Projektteam integriert. Als externe Partner konnten das Institut
für Energie- und Umwelttechnik e.V., IUTA, Duisburg, sowie für die
Programmierung der Datenbankstruktur die science + computing
ag, Tübingen, gewonnen werden.
Von der Idee zum Prototyp
In der ersten Projektphase wurde die zunächst abstrakte Idee in eine
konkrete Software-Anwendung entwickelt. Die Erarbeitung der Grundstruktur
der Wissensdatenbank erfolgte anhand folgender typischer
Produkte seitens ThyssenKrupp Steel:
weichlegierter Stahl, elektrolytisch verzinkt, dünnfilmbeschichtet,
Walzzunder, ölhaltig und
Stahlwerksschlacke.
Die im Team abgestimmte Auswahl dieser sehr unterschiedlichen
Produkte erforderte bereits in dieser ersten Projektphase eine breite
Auslegung der Wissensdatenbankstruktur. Weichlegiertes Stahlblech
wird im Kundenauftrag für die Automobilindustrie hergestellt. Es handelt
sich um einen Stahl gemäß DIN EN 10152, der elektrolytisch
verzinkt wird und anschließend eine organische Dünnfilmbeschichtung
erhält. Der Walzzunderschlamm fällt beim Warmwalzprozess an.
Walzzunder besteht zu über 60 % aus Eisenoxid und wird zu einem
großen Anteil werksintern recycelt, d.h. er wird u.a. im Schachtofen
zur Stahlerzeugung eingesetzt. Die Stahlwerksschlacke ist ein Nebenprodukt
der Stahlherstellung und besteht aus einem Gemisch aus
verschiedenen Kalziumsilicaten mit erheblichen Anteilen an Freikalk
sowie weiteren Metalloxiden. Entsprechend der Korngrößenklassifizierung
sind für die Schlacke verschiedene Verwertungswege relevant:
Düngemittel, Straßen- und Wasserwegebau.
In die Zusammenstellung der notwendigen Kenngrößen auf Basis
kundenspezifischer und gesetzlicher Anforderungen war das gesamte
Projektteam eingebunden. Damit war sichergestellt, dass sowohl
das notwendige Fachwissen als auch die Bedürfnisse des potenziellen
Anwenders in das Datenbankprofil eingingen. I Bild 1 I stellt die
grundsätzliche Vorgehensweise bei der Profilentwicklung dar.
Ausgehend vom betrachteten Stoff erfordert die Wissensdatenbank
die Entwicklung eines Profiles, das den Anwendungsbereich
sowie die gesetzlichen und kundenspezifischen Anforderungen
definiert. Zusätzlich wurden in der Datenbank die betriebsintern vorhandenen
Sicherheitsdatenblätter und Analysedaten der ausgewählten
Produkte sowie externe einzelstoffbezogene Informationen aus verschiedenen
Datenbanken zur Toxikologie und Ökologie hinterlegt.
Nach Aufbereitung in der Wissensdatenbank erfolgt die Gegenüberstellung
und der Vergleich dieser Daten, wobei die ausgegebene
Bewertung entsprechend des Einsatzbereiches der Produkte aus rechtlicher
und besonders aus kundenspezifischer Sicht im Vordergrund
steht. Die Ergebnisse des Datenvergleiches werden in kurzer und übersichtlicher
Form so zusammengefasst, dass alle wesentlichen Informationen
zum Gefährdungspotenzial der Produkte enthalten sind und
dem Anwender schnell zur Verfügung stehen I siehe Titelbild Bericht I.
Für die Darstellung ist eine Ampelfärbung gewählt worden:
Grün
Das Produkt entspricht allen Anforderungen und Richtlinien.
Gelb
Parametergehalte müssen deklariert werden oder die Bewertung
kann aufgrund fehlender Produktdaten nicht erfolgen.
Rot
Grenzwertüberschreitungen sind gegeben, was den Ausschluss
des gewählten Einsatzbereiches des Produktes zur Folge hat.
Aus der Wissensdatenbank können zu den einzelnen Produkten
ebenfalls die Sicherheitsdatenblätter (SDB) und die Analysedaten
in Tabellenform ausgegeben sowie Lieferanten- oder Konformitätserklärungen
erstellt werden. Neben einer einsatzbezogenen Bewertung
der einzelnen Produkte ist auch eine richtlinienabhängige
Bewertung der Produkte möglich I Bild 2 I.
Ausblick
Um die Anwendung der Wissensdatenbank werksintern zu fördern
und deren Einsatz segmentübergreifend zu ermöglichen, wird in der
jetzt beginnenden zweiten Projektphase der vorliegende Prototyp
der Wissensdatenbank in ein web-basiertes Produktiv-System überführt.
Gleichzeitig wird die Wissensdatenbank hinsichtlich der Stoffe
und Richtlinien vervollständigt. Besonderes Augenmerk liegt hierbei
auf einer offenen Systemarchitektur, die auf Dauer eine leichte
Anpassung an neue gesetzliche, betriebliche und kundenorientierte
Anforderungen zulässt.
ThyssenKrupp techforum 2 | 2007

Stoff
Entwicklung einer Wissensdatenbank zur Bewertung der Umweltrelevanz von Produkten, Nebenprodukten und Entfallstoffen | 19
Produkt
Nebenprodukt
Entfallstoff
Datenrecherche intern
Sicherheitsdatenblatt
Analysedaten
Physikalische Daten
Abfrage Anwender
Bild 1 | Profilentwicklung für die Wissensdatenbank
Gesetzliche Regelungen und kundenspezifische Anforderungen
Bundesbodenschutz- und Atlasten-Verordnung – inkl. Informationsblätter
für den Vollzug der LABO (Bund/Länder-Arbeitsgemeinschaft Bodenschutz)
TLW – Technische Lieferbedingungen für Wasserbausteine
LAGA – Bund/Länder-Arbeitsgemeinschaft Abfall)
(Merkblatt 20/Schlacken Z1, Z2)
Düngemittelverordnung
TA (Technische Anleitung) Abfall, TA Siedlungsabfall
Deponieverordnung
Altautoverordnung
GADSL – Global Automotive Declarable Substance List (2007)
Bild 2 | Gesetzliche Regelungen und kundenspezifische Anforderungen in der Wissensdatenbank (Auswahl)
ThyssenKrupp techforum 2 | 2007
Profilentwicklung
Anwendungsbereiche
Gesetzliche Anforderungen
Kundenspezifische Vorgaben
Datenbank
Vergleich
Bewertung
Auswertung
Darstellung der Ergebnisse
Datenrecherche extern
Toxikologische/
ökologische Daten
Sicherheitsrelevante Daten
Analysewerte der drei Stoffe

20 |
| Virtuell entwickelter und hergestellter Prototyp
ThyssenKrupp techforum 2 | 2007

StahlLeichtbau-Chassis SLC –
die innovative und kostengünstige
Leichtbaulösung für Pkw-Achsträger
DIPL.-ING. PETER SEYFRIED Leitung Leichtbau & InnovationsZentrum Auto (LIZA) | ThyssenKrupp Steel AG, Dortmund
DIPL.-ING. ULF SUDOWE Leiter Engineering Chassis | ThyssenKrupp Umformtechnik GmbH, Bielefeld
Halb so teuer wie die Referenz, eine Aluminium-Lösung aus der Oberklassen-Großserie, und nur 5 %
schwerer ist der innovative Hinterachsträger: Das StahlLeichtbau-Chassis SLC genannte Konzept ist
das Ergebnis enger Zusammenarbeit zwischen ThyssenKrupp Steel, ThyssenKrupp Umformtechnik und
ThyssenKrupp Automotive Systems. Das Konzept überzeugt durch seine optimale Mischung aus Werkstoffexpertise,
Werkzeug- und System-Know-how.
Gemeinschaftsprojekt StahlLeichtbau-Chassis
In den vergangenen Jahren hat die Stahlindustrie erfolgreich neue
Stahlgüten mit verbesserten mechanischen Eigenschaften und darauf
aufbauende Leichtbaulösungen für den Karosseriebereich entwickelt.
Die hierbei eingesetzten höher- und höchstfesten Stahlgüten lassen
sich auch in anderen Fahrzeugbereichen nutzen. Welches Potenzial
neue Stahlwerkstoffe, profilintensive Bauweise und innovative Fügetechnologien
beispielsweise im Fahrwerk besitzen, zeigt das Stahl-
Leichtbau-Chassis SLC. Der Hinterachsträger wurde im Rahmen eines
Gemeinschaftsprojektes segmentübergreifend von ThyssenKrupp
Steel, ThyssenKrupp Umformtechnik und ThyssenKrupp Automotive
Systems entwickelt. Referenz für die innovative Stahllösung ist eine
moderne Hilfsrahmenstruktur aus Aluminium, die gegenwärtig
in einem Serienfahrzeug des Premiumsegmentes eingesetzt wird.
Der neu entwickelte Hinterachsträger aus Stahl I Bild 1 I ist bei
gleicher Performance hinsichtlich Steifigkeiten und Haltbarkeit sowie
lediglich geringem Mehrgewicht etwa 40 % kostengünstiger als die
Referenz-Baugruppe.
Anspruchsvoller Benchmark – wettbewerbsfähige Stahllösung
Der als Referenzstruktur ausgewählte Serien-Hinterachsträger darf
als besonders anspruchsvoller Benchmark gelten. So umfasst die
Baugruppe eine Reihe von Aluminium-Gussteilen, deren Umsetzung
in Stahl-Pressteilen höchste Ansprüche an Bauteilgestaltung und
Umformtechnologie stellt. Gleichzeitig muss die Stahlstruktur einen
ThyssenKrupp techforum 2 | 2007
gleichwertigen Korrosionsschutz gegenüber Aluminium aufweisen.
Hierbei stellt die Verwendung dünner Bleche aus höchstfestem
Stahl eine besondere Herausforderung dar. Um die komplexen Anschlussbedingungen
an Lenker, Aufnahmen etc. ohne nachteilige
Auswirkungen auf das Gewicht der Baugruppe zu erfüllen, mussten
sowohl bei der Teileproduktion als auch beim Zusammenbau neue
Fertigungsmethoden angewendet werden. Das virtuell entwickelte
Modell wurde hinsichtlich des Projektanspruches der Serienherstell-
Bild 1 | Maßgeschneiderte Lösung für eine komplexe Einbausituation:
StahlLeichtbauChassis im Achssystem
| 21

22 |
Bild 2 | Prozessichere Schweißbarkeit wurde mit realen Prototypenteilen nachgewiesen.
Bild 3 | Flanschlose Leichtbauprofile mit Halbschalentechnik: Auch komplexeste
Geometrien lassen sich prozesssicher mit dem hochfesten Complexphasenstahl
CP-W 800 darstellen.
barkeit durch eine Kleinserie von Prototypen I Bild 2 I, die letztendlich
einer dynamischen Bauteilprüfung unterzogen worden sind, in der
Praxis erprobt.
Ganzheitliche Entwicklung
Die interdisziplinäre Zusammensetzung des Projektteams ermöglichte
die optimale Bündelung von Werkstoff-, Produkt-, und Prozess-Knowhow
über den gesamten Projektverlauf. Anspruch des Projektes war
es, Automobilherstellern eine serientaugliche Lösung anzubieten. Bei
der Validierung des SLC-Konzeptes wird der fertige Hinterachsträger
gemäß gängiger Standards in einem mehrachsigen Nachfahrprüfstand
hinsichtlich Betriebsfestigkeit überprüft. Dehnungsmessstreifen auf
dem zu prüfenden Bauteil sorgen dabei für einen Rückfluss der real
gemessenen Spannungen am Prüfteil in die Bauteilsimulation. Hieraus
lassen sich sowohl weitere Optimierungen als auch Erkenntnisse
für zukünftige Entwicklungen ableiten.
Beim StahlLeichtbau-Chassis kommt unter anderem der warmgewalzte
Complexphasenstahl CP-W 800 zum Einsatz. Mit einer
Streckgrenze von 680 MPa ist der Werkstoff deutlich fester als die
gegenwärtig im Fahrwerkbau überwiegend verwendeten Stähle mit
Streckgrenzen von 355 bis 420 MPa. Damit ermöglicht entsprechend
dünnwandigere Konstruktionen, stellt allerdings auch höhere Anforderungen
an die umformtechnischen Fähigkeiten der Verarbeiter.
Entsprechende Erfahrung ist insbesondere bei der Auslegung der
Werkzeugmethode und der Auswahl der richtigen Beschichtung für
die Werkzeuge erforderlich. Hinsichtlich des Korrosionsschutzkonzeptes
bietet der CP-W 800 insbesondere aufgrund seiner Gefügestruktur
und der damit verbundenen Unempfindlichkeit gegenüber
Wärmeeinbringung Vorteile. So ist es zum Beispiel möglich, die
geforderte Korrosionsfestigkeit auf dem Wege der Stückverzinkung
zu realisieren. Je nach Beanspruchung des Trägers hinsichtlich Steinschlag
und Korrosion lassen sich die höchstfesten Complexstähle
vorbeschichtet einsetzen oder auch nachträglich entsprechend der
gängigen Verfahren behandeln, ohne eine nennenswerte Verringerung
der Festigkeiten in Kauf nehmen zu müssen.
Technische Highlights
Mit dem StahlLeichtbau-Chassis ist es dem Projektteam gelungen,
den Einsatzbereich höchstfester Stahlgüten auf umformtechnisch
anspruchsvollere, komplexere Geometrien auszuweiten. Angewendet
wird der CP-W 800 unter anderem für die Längsträger I Bild 3 I und
den hinteren Querträger des Hinterachsträgers, die aus weniger als
2 mm dicken Blechen gefertigt sind I Bild 4 I. Würde man hierfür die
bislang gebräuchlichen Werkstoffe einsetzen, müsste die Blechdicke
rund 2,5 mm betragen.
Eine weitere Gewichtsersparnis bringt der Einsatz von ThyssenKrupp
Tailored Blanks, die aus unterschiedlich dicken CP-W 800 Einzelblechen
bestehen. Unmittelbar gewichtsrelevant ist ferner die verwendete
Fügetechnologie, bei der Bauteile, die aus zwei Halbschalen
zusammengesetzt sind, im so genannten I-Stoß geschweißt werden.
Das Verfahren kommt ohne die sonst üblichen Schweißflansche aus,
die bereits bis zu 5 % des Bauteilgewichtes ausmachen können.
Hinzu kommt, dass flanschlos geschweißte Teile vorhandenen Bauraum
wesentlich effektiver nutzen.
Gestalterische Flexibilität hinsichtlich Kosten und Gewicht
Durch den flexiblen Einsatz von Tailored Blanks ist es ferner gelungen,
einen modularen Baukasten innerhalb der vorgegebenen Geometrie
darzustellen. So wurde die Möglichkeit geschaffen, durch den Austausch
der als Tailored Blanks ausgelegten Längs- bzw. Querträger
gegen Pressteile gleicher Geometrie, aber mit konstanter Blechdicke,
ThyssenKrupp techforum 2 | 2007

eine beanspruchungsgerechte Variantenbildung darzustellen. Dieser
Ansatz ermöglicht es, je nach Kundenwunsch entweder das Gewicht
auf ein Minimum zu reduzieren oder eine ausgewogene Mischung aus
Kosten- und Gewichtsvorteilen darzustellen. In Zahlen bedeutet dies
bei einer Kostenreduzierung von ca. 40 % ein minimales Mehrgewicht
von 5 % zur Referenzstruktur. Bei einer kostengetriebenen Variante
ist eine Auslegung mit ca. 50 % Kostenreduzierung bei einem vertretbaren
Mehrgewicht von 10 % möglich.
CO2-Bilanz
Einer aktuellen Studie zufolge, die im Auftrage des IISI (International
Iron and Steel Institute) an der in internationalen Umweltschutzkreisen
anerkannten University of California, Santa Barbara/USA (UCSB) erstellt
wurde, können folgende Aussagen abgeleitet werden:
Basierend auf einer vergleichenden Ökobilanz und unter Berücksichtigung
der derzeitig bekannten Datenbasis wurde ermittelt, dass
Karosseriekonzepte aus Aluminium im Vergleich zu solchen aus hochfesten
Stählen, wie z.B. ULSAB-AVC (Ultra Light Steel Automotive
Body-Advanced Vehicles Concepts), in der Gesamtbilanz keine Einsparungen
von Treibhausgas-Emissionen ermöglichen. Die über den
vollständigen Produktlebenszyklus innerhalb üblicher Fahrzeuglebensdauern
betrachteten Treibhausgas-Emissionen liegen stattdessen auf
einem in etwa vergleichbaren Niveau. Der Grund hierfür liegt hauptsächlich
in der Produktionsphase des Werkstoffes Aluminium, die
StahlLeichtbau–Chassis SLC – die innovative und kostengünstige Leichtbaulösung für Pkw-Achsträger | 23
schon vor der Nutzungsphase vergleichsweise hohe Treibhausgas-
Emissionen verursacht, welche durch Einsparungen in der Nutzungsphase
bei unterstelltem Gewichtsvorteil der Aluminiumlösung kaum
wieder kompensiert werden können.
Übertragen auf das Chassis-Szenario bedeutet dies, dass der
leichte Gewichtsvorteil der Aluminiumstruktur durch den höheren
CO2- Ausstoß bei der Aluminiumproduktion wieder kompensiert wird.
Ausblick
Bild 4 | Geringes Gewicht durch Einsatz blechdickenoptimierter Tailored Blanks und des hochfesten Complexphasenstahl CP-W 800
PAS 460 t = 2,15 mm
CP-W 800 t = 1,5 mm
CP-K t = 1,3 mm
CP-W 800 t = 1,8 mm
ThyssenKrupp Steel entwickelt zurzeit innovative Zink-Magnesium-
Beschichtungen, mit denen sich das Korrosionsschutzkonzept für das
StahlLeichtbau-Chassis gezielt weiterentwickeln lässt. So kann beispielsweise
der Einsatz ZMg vorbeschichteter Bleche in Kombination
mit einer Nachbehandlung der Schweißnähte und anschließender
KTL(kathodische Tauchlackierung)-Beschichtung zu weiteren, deutlichen
Kostenvorteilen führen.
Ein weiterer Baustein zur Reduzierung von Gewicht und Kosten
sind hochfeste Stahlgüten mit höheren Umformgraden, durch die
komplexere Geometrien und damit verbunden weitere Funktionsintegrationen
möglich sind. Die ganzheitliche Betrachtung zukünftiger
Entwicklungen umfasst auch die Weiterentwicklungen der Fügeprozesse.
Hier bieten sowohl kalte (z.B. Nieten, Kleben) als auch warme
Fügeverfahren noch ein deutliches Potenzial.
PAS 460 t = 1,5 mm
PAS 460 t = 2,15 mm
CP-W 800 t = 1,5 mm
CP-W 800 t = 1,5 mm

24 |
| Wärmetauscherrohrbündel für Meerwasserentsalzungsanlagen
ThyssenKrupp techforum 2 | 2007

Nichtrostende Stähle
für Meerwasserentsalzungsanlagen
DR.-ING. GEORG UHLIG Technischer Produktmanager | ThyssenKrupp Nirosta GmbH, Krefeld
Mit Hilfe von Meerwasserentsalzungsanlagen kann Trinkwasser mit niedrigen Chloridgehalten erzeugt
werden. Nichtrostende Stähle bilden dabei einen elementaren Bestandteil für die verschiedenen Verfahrenstechnologien.
Aufgrund des steigenden Bedarfes an Trinkwasser speziell in den arabischen Staaten, aber
auch in Südeuropa, stellen Meerwasserentsalzungsanlagen ein sehr interessantes Anwendungsgebiet
für nichtrostende Stähle mit steigender wirtschaftlicher Bedeutung dar.
Trinkwasserbedarf global
Die Versorgung der Bevölkerung mit Trinkwasser stellt in vielen Ländern
des nahen und mittleren Ostens, in Nordafrika und in bestimmten
Regionen Südeuropas eine der wichtigsten Aufgaben dar. Ein erhöhter
Bedarf ist insbesondere in Ländern mit starkem Bevölkerungswachstum
gegeben, wobei die vorhandenen natürlichen Trinkwasservorkommen
teilweise nicht mehr ausreichen. Ebenso können die
vorhandenen Trinkwasserreserven bedingt durch klimatische Veränderungen
zurückgehen, sodass die Grundwasserspiegel fallen oder
das bisher benutzte Oberflächenwasser zum Beispiel in Küstenregionen
verbrackt. Die begrenzte Verfügbarkeit natürlicher Trinkwasservorkommen
macht es deshalb in vielen Ländern erforderlich, zusätzliche
Mengen mittels verfahrenstechnischer Methoden zu generieren.
Eine dieser Möglichkeiten stellen Meerwasserentsalzungsanlagen dar.
Verfahren zur Meerwasserentsalzung
Mit Hilfe von Meerwasserentsalzungsanlagen ist es möglich, den
Chloridgehalt des Meerwassers I Bild 1 I auf niedrige Gehalte entsprechend
der jeweiligen nationalen Verordnungen bzw. Regelwerke
für Trinkwasser abzusenken. In Deutschland werden zum Beispiel
maximale Chloridgehalte im Trinkwasser von 250 mg/l vorgeschrieben.
In der Praxis liegen übliche Chloridkonzentrationen im Leitungswasser
meist deutlich unter 100 mg/l.
ThyssenKrupp techforum 2 | 2007
Verfahrenstechnisch stehen zur Entsalzung von Meerwasser im
Prinzip drei verschiedene Möglichkeiten zur Verfügung, die großtechnisch
eingesetzt werden:
das MSF(Multi Stage Flash)-Verfahren,
das MED(Multiple Effect Distillation)-Verfahren und
das RO(Reverse Osmose)-Verfahren.
Die beiden ersten Verfahren basieren auf der Verdampfung des Meerwassers
und Gewinnung des entsalzten Kondensates, während das
RO-Verfahren nach dem Prinzip der Umkehr-Osmose funktioniert
Salzgehalte Meerwasser
normal: 35.000 ppm
örtlich von: 7.000 ppm (baltisches Meer)
bis zu: 50.000 ppm (persischer Golf)
Brackwasser: 1.000 -10.000 ppm
Bild 1 | Salzgehalte im Meerwasser
| 25

26 | Nichtrostende Stähle für Meerwasserentsalzungsanlagen
Thermisches Verfahren Membran-Verfahren
Meerwasser
Heizen
Wasserdampf
Kondensat
Kühlen
Bild 2 | Verfahrensprinzipien zur Meerwasserentsalzung
Meerwasser
I Bild 2 I. Dabei wird das Meerwasser unter hohem Druck durch eine
semipermeable Membrane gedrückt. Diese Membrane ist für das
Wasser durchlässig, hält aber die Salzanteile zurück.
Aufgrund des steigenden Bedarfes an Trinkwasser wurden in den
letzten Jahren zahlreiche neue Kapazitäten geschaffen. Allein für die
thermischen Verfahren MSF und MED werden weltweit etwa 25 neue
Anlagen pro Jahr gebaut. Gleichzeitig wurde die Anlagenkapazität
kontinuierlich gesteigert. Von den heute betriebenen Meerwasserentsalzunganlagen
entfallen etwa 68 % auf das MSF-Verfahren,
während ca. 14 % nach der MED-Technologie arbeiten. Die restlichen
18 % entfallen auf die Umkehr-Osmose (RO-Verfahren). Insbesondere
das MED-Verfahren und das RO-Verfahren weisen in jüngster Zeit
überproportionale Wachstumsraten auf.
Speziell für die thermischen Verfahren sind korrosionsbeständige
Werkstoffe ein elementarer Bestandteil der Anlagen. Die Auswahl
der Werkstoffe wird dabei durch die lokale Chloridbeaufschlagung
und die einwirkenden Temperaturen bestimmt. Das MSF-Verfahren
besteht anlagentechnisch im Wesentlichen aus mehreren hintereinander
angeordneten Verdampferkammern, in denen das Meerwasser
mit fallender Temperatur und abnehmenden Druck verdampft wird.
Das verdampfte Meerwasser kondensiert danach an Rohrbündeln,
die im Dampfraum der Kammern angeordnet sind. Die Rohre werden
von innen durch Meerwasser gekühlt, welches sich dabei erwärmt
und anschließend den Verdampferkammern zugeführt wird I Bild 3 I.
Für die Verdampferkammern sind prinzipiell verschiedene Werkstoffe
geeignet. Gebräuchlich sind im Wesentlichen Kohlenstoffstahl,
Flussrichtung
Membran
Entsalztes
Wasser
Verdampferkammer
Wärmetauscherrohrbündel
Entsalztes
Kondensat
Wasserdampf
Meerwasser
Bild 3 | Prinzip des MSF-Verfahrens
der mit dem Werkstoff 1.4404 ausgekleidet ist oder mit einer Epoxidbeschichtung
versehen wird. In jüngster Zeit kommen hier auch verstärkt
nichtrostende Duplexstähle (1.4462) zur Anwendung. Höchsten
korrosiven Beanspruchungen insbesondere in den ersten Verdampferstufen
sind die Rohrbündel in den Verdampferkammern ausgesetzt
I siehe Titelbild Bericht I. Die Temperatur in der ersten Stufe kann
dabei bis zu maximal 120 °C bei Drücken von etwa 1,3 bar betragen.
Für diese Rohrbündel kommen überwiegend Kupferbasis- und Titanlegierungen
zum Einsatz. Die Bodenplatten der Rohrbündel bestehen
dagegen überwiegend aus dem Werkstoff 1.4404. Auch für weitere
Anlagenteile wie Pumpen, Behälter und Verrohrungen werden nichtrostende
Stähle, wie 1.4404 und 1.4539, eingesetzt.
Bei dem MED-Verfahren sind die korrosiven Anforderungen bedingt
durch die unterschiedliche Prozessführung in der Regel weniger hoch
als bei dem MSF-Verfahren. Das Meerwasser wird bei diesem Verfahren
in mehreren Stufen auf Rohrbündel gesprüht und dabei verdampft.
Der Dampf wird anschließend in die Rohre geführt und kondensiert
dort als entsalzenes Wasser. Bei dieser Verfahrenstechnologie
bestehen die Verdampferkammern und die Tanks für das Destillat in
der Regel aus den nichtrostenden Stählen 1.4404 oder 1.4462. Die
Temperaturbeanspruchung der Rohrbündel ist beim MED-Verfahren
mit maximal 70 °C weniger hoch als beim MSF-Verfahren. Aus diesem
Grund eignen sich für das MED-Verfahren unter anderem hochlegierte
nichtrostende Stähle vom Typ 1.4565 für die möglichst dünnwandigen
Rohrbündel I Bild 4 I. Werkstoffalternativen wären für diesen Anlagenteil
Titan- oder Kupferbasislegierungen.
ThyssenKrupp techforum 2 | 2007

Bild 4 | Wärmetauscherrohrbündel aus NIROSTA ® 4565
Darüber hinaus kommen auch bei weiteren Komponenten beim
MED-Verfahren nichtrostende Stähle der Sorten 1.4404 und 1.4462
unter anderem für den Transport und die Lagerung des Rohwassers
und des Destillats zur Anwendung.
Moderne Anlagen nach dem MED-Verfahren weisen eine Kapazität
von etwa 250.000 m3 /d auf. Für derartige Anlagen werden nichtrostende
Stähle mit einer Tonnage von mehreren tausend Tonnen
in Form von warm- und kaltgewalzten Blechen und Bändern sowie
Rohren benötigt I Bilder 5 und 6 I.
ThyssenKrupp techforum 2 | 2007
Fazit
Nichtrostende Stähle für Meerwasserentsalzungsanlagen | 27
Entsprechend der Prognose für den zukünftigen Bedarf an Trinkwasser
stellen Meerwasserentsalzungsanlagen damit ein sehr interessantes
Anwendungsgebiet für nichtrostende Stähle dar, das auch in den
nächsten Jahren zunehmend an Bedeutung gewinnen wird.
Bild 5 | ’Demi Water Plant’ zur Entsalzung von Brackwasser in Rotterdam, Niederlande Bild 6 | Meerwasserentsalzungsanlage Al Hidd, Bahrain

28 |
| Spaceframe-Karosserie des Prototypen Nido (Nest) von Pininfarina – eine Leichtbaukonstruktion aus austenitischem Rostfrei-Stahl
ThyssenKrupp techforum 2 | 2007

ThyssenKrupp techforum 2 | 2007
Leistungsstark und umweltfreundlich
– Einsatz moderner
hochfester Rostfrei-Stähle im Auto
ING. ANDREA BRUNO Produktmanager | ThyssenKrupp Acciai Speciali Terni SpA, Terni/Italien
Rostfrei-Stähle sind zwar in erster Line wegen ihrer Korrosionsbeständigkeit
bekannt, doch sie besitzen darüber hinaus – und insbesondere die neue Klasse
austenitischer N-Mn-Sorten – hervorragende mechanische Eigenschaften. In der
Transportbranche, speziell im Automobilsektor, haben sich diese Eigenschaften
als erfolgreich nutzbar erwiesen, insbesondere bei der Konstruktion von Fahrzeugen,
die nicht nur umweltfreundlich, sondern auch äußerst leistungsfähig
und deshalb auf dem Markt begehrt sind.
| 29

30 | Leistungsstark und umweltfreundlich – Einsatz moderner hochfester Rostfrei-Stähle im Auto
Rostfrei-Stähle
Als Rostfrei-Stähle gelten per Definition alle Fe-Cr-Legierungen mit
einem Chrom-Gehalt von mindestens 10,5 %. Solche Stähle sind
seit ihrer Erfindung bestens bekannt für ihre typische Oxidationsbeständigkeit
und Warmfestigkeit. Das Chrom bildet eine dichte, fest
mit der Oberfläche des Grundmetalles verbundene, schützende Oxidschicht
(Cr2O3), die ein weiteres Oxidieren des darunter befindlichen
Metalles verhindert und so den Stahl schützt. Der Vorgang ähnelt dem,
was von Natur aus bei Ti- und – wenn auch in geringerem Maße –
bei Al-Legierungen geschieht. Aufgrund dieser Eigenschaft sind
Stähle dieser Art für den Einsatz in unterschiedlichsten aggressiven
Umgebungen geeignet. Weniger bekannt ist allerdings, dass Rostfrei-Stahl
auch ausgezeichnete mechanische Eigenschaften hat und
sich gut verarbeiten lässt. Alles in allem bieten Rostfrei-Stähle aufgrund
dieser Eigenschaften eine echte Alternative zu Kohlenstoff-
Baustählen und in manchen Fällen auch zu Aluminiumlegierungen.
Zwar sind die Werkstoffkosten höher, doch ermöglichen sie erhebliche
Ersparnisse bei den Gesamtkosten bezogen auf die Lebensdauer;
darüber hinaus bieten sie Vorteile beim Umweltschutz, beispielsweise
durch Einsparung von Kraftstoff. Im hier betrachteten Rahmen zieht
eine neue Klasse von Rostfrei-Baustählen, die austenitischen N-Mn-
Sorten aufgrund ihrer Eigenheit, sowohl korrosionsbeständig als auch
hochfest zu sein, immer mehr Interesse auf sich. Das in Italien beheimatete
Unternehmen ThyssenKrupp Acciai Speciali Terni ist zweifellos
an führender Position hinsichtlich Forschung, Entwicklung und
Vermarktung dieser Klasse von Werkstoffen, die neue Perspektiven
bzgl. Effizienz und Leistungsfähigkeit eröffnet.
Bruchdehnung A 80 [%]
60
50
40
30
20
10
0
Konventionell
FB-W ®
Bild 1 | Eigenschaften von STR18 im Vergleich zu den Hauptklassen hochfester Stähle
DP
Allgemeine Eigenschaften moderner hochfester Rostfrei-Stähle
Austenitische Rostfrei-Stähle der N-Mn-Sorten stellen eine einzigartige
Kombination von Festigkeit, Formbarkeit I Bild 1 I und natürlich
Korrosionsbeständigkeit dar. Die kürzlich von ThyssenKrupp Acciai
Speciali Terni auf den Markt gebrachte Sorte STR18 repräsentiert weltweit
gesehen die neueste Entwicklung von Stählen dieser Klasse. Es
handelt sich dabei um einen voll austenitischen N-Mn-Rostfrei-Stahl
mit 18 % Cr. Er ist durch hohe Festigkeit in Verbindung mit ausgezeichneter
Formbarkeit/Verarbeitbarkeit gekennzeichnet, was durch
Ausnutzen von TWIP/TRIP(Twinning Induced Plasticity/Transformation
Induced Plasticity)-Effekten geschieht. Allgemein zeichnet er sich
typischerweise durch folgende Eigenschaften aus:
hohe Festigkeit: Rp > 420 MPa, Rm > 750 MPa,
hervorragende Formbarkeit (insbesondere unter Berücksichtigung
seiner Festigkeit): A% > 45 %,
gute Schweißbarkeit und hohe Korrosionsbeständigkeit (im Wesentlichen
gemäß AISI 304/EN 1.4301).
Darüber hinaus weisen austenitische Mikrostrukturen an sich – und
insbesondere Sorten mit hohem N-Mn-Gehalt – einen höheren Kaltverfestigungskoeffizienten
auf. Infolgedessen verbessern sich die
mechanischen Eigenschaften durch Kaltumformung ganz erheblich,
wenn auch bei einer Verschlechterung der Umformbarkeit I Bilder 2
und 3 I. Das ermöglicht den Materialdesignern die Freiheiten, die
Werkstoffeigenschaften durch Kaltwalzen entsprechend dem Einsatzfall
einzustellen.
STR18
RA
Zugfestigkeit R m [MPa]
FB-W ®: Ferrit-Bainitphasen (warmgewalzt)
DP: Dualphasen
RA: Restaustenitphasen (TRIP)
CP: Complexphasen
MS-W ®: Martensitphasen (warmgewalzt)
X-IP: extreme Festigkeit und Umformbarkeit
induzierte Plastizität
CP
MS-W ®
200 300 400 500 600 700 800 900 1.000 1.100 1.200 1.300 1.400 1.500
ThyssenKrupp techforum 2 | 2007

Spannung, R p0,2 , R m [MPa]
Wahre Spannung [MPa]
1.500
1.000
500
1.600
1.500
1.400
1.300
1.200
1.100
1.000
900
800
700
600
500
Bild 3 | Änderung der mechanischen Eigenschaften von STR18 in Abhängigkeit von der Vordehnung (Kaltwalzen)
ThyssenKrupp techforum 2 | 2007
0
DP 1000
AISI 304 3/4H
DP 800
DP 600
Leistungsstark und umweltfreundlich – Einsatz moderner hochfester Rostfrei-Stähle im Auto | 31
380TM
AISI 304 1/2H
AISI 304 1/4H
AISI 420 ann
Wahre Dehnung
400
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65
Kaltumformrate [%]
AISI 301 1/4H
DP 500
220 BH
FePO4
AISI 304 ann
0 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3 0,35 0,4
Bild 2 | Spannungs-/Dehnungs-Kurven von STR18 bei unterschiedlichen Vordehnungen, verglichen mit Spannungs-/Dehnungs-Kurven typischer
Kohlenstoff- und Rostfrei-Stahlsorten
R m
R p0,2
A
STR 18
48
44
40
36
32
28
24
20
16
12
8
4
0
Bruchdehnung A [%]

32 | Leistungsstark und umweltfreundlich – Einsatz moderner hochfester Rostfrei-Stähle im Auto
Die mechanischen Eigenschaften hängen ferner von der Umformgeschwindigkeit
ab. Der Widerstand des Werkstoffes ist umso größer,
je schneller die Last aufgebracht wird. Rostfrei-Stähle, insbesondere
austenitische, haben gegenüber „Leichtlegierungen“ oder Kohlenstoffstählen
den beträchtlichen Vorteil einer größeren Abhängigkeit
von der Umformgeschwindigkeit. Diese Eigenschaft ist insbesondere
dort vorteilhaft, wo es um passive Sicherheit (Crash-Sicherheit) geht:
Es lassen sich Komponenten konstruieren, die bei gleicher Leistung
sehr viel leichter sind als herkömmliche.
Einsatz moderner hochfester Rostfrei-Stähle im Auto
Die beschriebenen Eigenschaften bieten Konstrukteuren umfangreiche
Möglichkeiten für gewichtsreduzierende Konzepte. Die Auswirkungen
dieser Möglichkeiten sieht man besonders im Automobilsektor,
wo sie zu verbessertem Fahrverhalten und verringertem Kraftstoffverbrauch
führen. Speziell der Automobilsektor muss als strategisch
wichtig betrachtet werden, sowohl wegen seiner hohen Umsätze als
auch, weil er mehr als andere Sektoren die Forschungs- und Entwicklungsstrategien
beeinflusst. Die Entwicklung neuer Technologien,
Produkte, Produktionsprozesse, Qualitätssicherungs-Methoden und
Partnerschaften sowie neuer Konzepte für Distribution, Organisation
und Logistik in der Automobilindustrie sind Beispiele für die Weiterentwicklung
unterschiedlicher Marktbereiche. Die Autohersteller haben
wiederholt darauf hingewiesen, wie wichtig der Einsatz immer leistungsfähigerer
Stähle ist, um folgenden Notwendigkeiten Rechnung tragen
zu können:
höhere Steifigkeit der Struktur bei gleichzeitiger Gewichtsverringerung
zur Verbesserung des Fahrverhaltens,
höhere Leistung hinsichtlich passiver Sicherheit (Crash-Verhalten),
Gewichtsersparnis zwecks Senkung des Kraftstoffverbrauches,
dadurch Einhalten von Emissionsschutzstandards.
Der letzte der vorgenannten Punkte ist im Zuge des Umweltschutzes
besonders wichtig, weil eine Gewichtsreduzierung maßgeblich den
Kraftstoffverbrauch verringert. Von Autoherstellern durchgeführte,
umfangreiche Untersuchungen zeigen, dass die Faktoren Gewicht und
Reifenrollwiderstand lediglich vom Faktor Luftwiderstand übertroffen
werden, wenn es um den Einfluss auf den Kraftstoffverbrauch geht.
Deshalb ist es offensichlich, dass die richtige Wahl des Werkstoffes,
wie z.B. Spezialstahl, ein sehr wirkungsvolles Mittel zur Optimierung
der Kraftstoffeffizienz von Fahrzeugen ist. Andererseits steigen die
Fahrzeuggewichte und damit der Kraftstoffverbrauch ständig, weil die
Käufer selbst in der Kleinwagenklasse heute immer mehr optionales
Zubehör, wie beispielsweise Multimedia-Geräte, Einparkhilfen, Fahrerassistenzsysteme
(z.B. Automatikgetriebe), verlangen.
Der Einsatz hochfester Rostfrei-Stähle kann also ein wirksames
Mittel zum Senken des Kraftstoffverbrauches sein. Das Ergebnis einer
vor kurzem von Ford durchgeführten umfangreichen Untersuchung
war, dass man durch den Einsatz von Rostfrei-Stahl verglichen mit
herkömmlichen Konstruktionsstählen bis zu 25 % an Gewicht einsparen
kann. Diesbezüglich beobachtete Werte stimmen gut mit
denen überein, die in den letzten Jahren von mehreren internen Arbeitsgruppen,
die ThyssenKrupp Acciai Speciali Terni beim größten italienischen
Nutzfahrzeughersteller eingesetzt hat, ermittelt worden sind.
Thema dieser Untersuchungen war der Einsatz moderner Werkstoffe
für Teile, die der passiven Sicherheit dienen. Dabei wurden unterschiedliche
Werkstoffe mit einer Referenzlösung aus Kohlenstoffstahl verglichen.
Das Ergebnis wurde vom Forschungszentrum des erwähnten
Unternehmens bestätigt. Die STR18-Lösung war gegenüber der Referenzlösung
diejenige mit der größten Gewichtsersparnis, sie zeigte
sich auch dem Werkstoff Aluminium gegenüber leicht überlegen. Die
spezifische Dichte von Aluminium beträgt zwar nur ungefähr ein Drittel
der spezifischen Stahldichte jedoch sind auch dessen E-Modul und
die Fließgrenze nur etwa ein Drittel so hoch im Vergleich zu hochfesten
Stählen I Bild 4 I.
Ein weiterer wichtiger Vorteil von Rostfrei-Stählen ist ihre Korrosionsbeständigkeit,
wodurch kostspielige und möglicherweise
gesundheitsschädliche Korrosionsschutzmaßnahmen eingespart
werden können. Dies ist insbesondere für sicherheitsrelevante Bauteile
vorteilhaft, da sie im Rohzustand eingebaut und somit Kosten
gespart werden können. Auf diesem Gebiet sind bereits äußerst
interessante Ergebnisse erzielt worden, da Bauteile für die passive
Sicherheit üblicherweise getrennt von der Karosserie gefertigt und
erst später mit dieser verbunden werden. So kann man die Korrosionsbeständigkeit
voll ausnutzen. Durch den Entfall von schützenden
Behandlungen ergeben sich wirtschaftliche und den Umweltschutz
betreffende Nutzeffekte.
Sehr positiv zu bewerten ist auch die äußerst wichtige Möglichkeit
der Wiederverwertung von Rostfrei-Stahl, schließlich fallen in der EU
jährlich 8 bis 9 Mio t Schrott in Form von Altautos an. Um das Demontieren
dieser Autos und das Recycling des entstehenden Schrott-
ThyssenKrupp techforum 2 | 2007

Bild 4 | Vergleich der mechanischen Eigenschaften hochfester Stähle und Aluminiumlegierungen
ThyssenKrupp techforum 2 | 2007
Leistungsstark und umweltfreundlich – Einsatz moderner hochfester Rostfrei-Stähle im Auto | 33
Material Duplex STR18 Austenitischer 6061 Hochfester Kohlen-
Rostfreistahl Rostfrei-Stahl Aluminiumlegierung stoffstahl (HSLA)
Geglüht CR 6 CR 9 CR 12 CR 15 T4 T6
Beschaffenheit (1) (2) (3) (4) (5) (6) (7)
Dichte ρ [g/cm 3 ] 7,80 7,90 7,90 7,90 7,90 7,90 2,70 2,70 7,83
Relative Dichte zu Stahl 1,00 1,00 1,00 1,00 1,00 1,00 0,35 0,35 1,00
Fließgrenze Rp 0,2 [N/mm 2 ] 640 450 533 647 690 813 145 275 410
Zugfestigkeit R m [N/mm 2 ] 850 750 762 833 861 944 240 310 480
Spezif. Festigkeit R p /ρ [N/mm 2 /g/cm 3 ) 82,1 57,0 67,5 81,9 87,3 102,9 53,7 101,9 52,4
Spezif. Festigkeit rel. zu HSLA-Stahl 1,57 1,09 1,29 1,56 1,67 1,97 1,03 1,95 1,00
Dehnung [%] 35,00 45,00 39,00 33,00 29,4 20 15,00 8,00 22,00
Dehnung rel. zu HSS 1,59 2,05 1,77 1,50 1,34 0,91 0,68 0,36 1,00
E-Modul E [kN/mm 2 ] 200 200 200 200 200 200 70 70 200
Spezif. Steifigkeit E/ρ 26 25 25 25 25 25 26 26 26
(1): Lösungsgeglüht
(2): Kalt gewalzt mit 6 % Reduzierung
(3): Kalt gewalzt mit9 % Reduzierung
(4): Kalt gewalzt mit 12 % Reduzierung
(5): Kalt gewalzt mit 15 % Reduzierung
(6): T4 Temper ist lösungsgeglüht, Wärmebehandlung bei 503 °C, dann wassergehärtet
(7): T6 Temper ist ausscheidungsgeglüht, Wärmebehandlung bei 160 °C für 18 h, oder Wärmebehandlung bei 180 °C für 8 h und dann in Luft abgekühlt
berges umweltfreundlicher zu gestalten, hat die EU-Kommission im
Jahr 1997 die so genannte Altfahrzeugrichtlinie beschlossen. Diese
Richtlinie fordert von der Automobilindustrie einen Mindestanteil an
recyclingfähigen Werkstoffen von 75 % im Jahr 2006 bis 95 % im
Jahr 2015.
Rostfrei-Stahl ist ohne jegliche Verschlechterung aufgrund seiner
Eigenschaften im Gegensatz zu vielen anderen Konstruktionswerkstoffen
100-%-ig recyclingfähig. Heutige Teile aus Rostfrei-Stahl
bestehen zu 60 % aus recyceltem Stahl (25 % stammen aus verschrotteten
Altprodukten anderer Art, 35 % aus relativ neuen Produkten
derselben Art). Der Anteil an recyceltem Material ist haupt-
sächlich deswegen nicht größer, weil die Nachfrage nach Rostfrei-
Stahl derzeit ständig wächst.
Fazit
Der Einsatz moderner hochfester Rostfrei-Stähle in modernen Fahrzeugen
kann erheblich zur Gewichtsreduzierung und somit zur Senkung
des Kraftstoffverbrauches beitragen. Gleichzeitig tragen diese
Werkstoffe aufgrund ihrer ausgezeichneten mechanischen Eigenschaften
dazu bei, die passive Sicherheit hinsichtlich des Crash-
Verhaltens zu erhöhen, sodass dem Umweltschutz und gleichzeitig
dem Insassenschutz Rechnung getragen wird.

34 |
| Von Società delle Fucine hergestellte geschmiedete Welle im Werk der Siemens Power Generation (PG)
ThyssenKrupp techforum 2 | 2007

ThyssenKrupp techforum 2 | 2007
Große geschmiedete Wellen
für Kraftwerksturbinen
DIPL.-ING. STEFANO NERI Qualitätsmanagement | Società delle Fucine S.r.l., Terni/Italien
DIPL.-ING. DANIELE MARSILI Metallurgie | Società delle Fucine S.r.l., Terni/Italien
DR. RER. OEC. GIOVANNI SANSONE Vertriebsmanagement Kraftwerkskomponenten | Società delle
Fucine S.r.l., Terni/Italien
Die ständigen Bemühungen um höhere Effizienz und geringere
Emissionen von großen Wärmekraftwerken haben den Trend zu
immer höheren Dampftemperaturen und -drücken sowie modernster
Turbinentechnologie mit sich gebracht. Vor diesem Hintergrund hat
die italienische Società delle Fucine (SdF), ein Unternehmen der
ThyssenKrupp Acciai Speciali Terni, die Rotorwelle der größten Hochdruckdampfturbine
der Welt hergestellt und an Siemens geliefert.
Das Kraftwerk mit dem Namen Olkiluoto 3 befindet sich inmitten
einer einsamen finnischen Landschaft. Als Rohling für diese Hochdruckturbinenwelle
hat SdF einen riesigen, ca. 230 t schweren Gussblock
aus niedriglegiertem Spezialstahl verwendet.
| 35

36 | Große geschmiedete Wellen für Kraftwerksturbinen
Dampfturbine für ein Kernkraftwerk in Finnland
Das im Bau befindliche Kernkraftwerk auf der Insel Olkiluoto (Gemeinde
Eurajoki) nahe der finnischen Westküste ist für die kostengünstige
Deckung des Grundlastbedarfes vorgesehen. Die ökologischen Bedingungen
auf Olkiluoto werden ständig mithilfe bewährter Programme
überwacht. Das umfangreiche Mess- und Beobachtungssystem war
bereits vor Inbetriebnahme des ersten Reaktorblockes installiert
worden. Die Auswirkungen des Kernkraftwerkes auf die Umwelt werden
durch Anwendung der Prinzipien „Vorbeugung“ und „Kontinuierliche
Verbesserung“ gering gehalten.
Hersteller der konventionellen Dampfturbinenanlage von Olkiluoto 3
ist Siemens Power Generation (PG). Der Turbinenteil enthält eine zweiflutige
Hochdruckstufe mit Doppelgehäuse, wobei Außen- und Innengehäuse
horizontal geteilt sind. Der Rotor dieser Turbine besteht aus
einer aus einem Stück geschmiedeten Welle mit aufgeschmiedeten
Verbindungsflanschen, die Laufschaufeln werden in Nuten gehalten.
Ein starrer Rotor hat funktionelle Vorteile gegenüber einem flexiblen
Bild 1 | Beschaufelte Dampfturbinenwelle
Rotor: Der Spalt zum Gehäuse hin bleibt immer relativ klein, beim
Anfahren entstehen keine Instabilitäten durch das Durchlaufen von
Resonanzbereichen, die Leistung wird nicht durch Dampfwirbel
begrenzt, und es können keine selbstangeregten Ölfilmvibrationen
entstehen. Die Beschaufelung ermöglicht einen variablen Reaktionsgrad.
Sämtliche Leit- und Laufschaufeln sind mit Deckband versehen
und fest miteinander verbunden I siehe Titelbild Bericht und Bild 1 I.
Die Dampfturbine für das neue finnische Kernkraftwerk ist für eine
Nutzleistung von circa 1.600 MW bei einem Wirkungsgrad von etwa
37 % ausgelegt. Der Turbinenteil ist eine zweigehäusige Konstruktion,
bestehend aus einer zweiflutigen Hochdruckturbine und einer sechsflutigen
Niederdruckturbine, fest angekoppelt an einen Dreiphasen-
Synchrongenerator mit direkt angeschlossener Erregermaschine. Die
aus einem Stück geschmiedete Welle der Hochdruckstufe wurde nach
Zeichnungen des Unternehmens Siemens Power Generation (PG) von
Società delle Fucine gefertigt.
ThyssenKrupp techforum 2 | 2007

Herstellung der Dampfturbine
Herstellung des Gussrohlings
Der Stahlblock für den Olkiluoto-Rotor wurde wie folgt hergestellt:
Elektrolichtbogenofen
Einschmelzen ausgewählten Schrottes, Entphosphorisieren, Abschlacken
und Schlackenneubildung, Erhitzen auf Abstichtemperatur,
Abstechen in die Gießpfanne, Beruhigen durch Siliziumzugabe.
Frischen
Frischen des flüssigen Stahls in einer Anlage der Fa. Asea Brown
Boverie Ltd., Abschlacken und Zugeben neuer Schlackenbildner, kurze
Vakuumbehandlung zum Desoxidieren der Stahlschlacke, Erhitzen
und Zugeben von Legierungsstoffen, Vakuumentgasen, Argonspülen.
Vergießen
Bild 2 | FE(Finite-Elemente)-Analyse der Kohlenstoff-
Makroseigerung bei Ende der Erstarrung
Der 230 t schwere Block wurde im Vakuumverfahren gegossen. Zuvor
wurden der Erstarrungsvorgang und die Kohlenstoff-Makroseigerung
anhand von FE-Modellen untersucht I Bild 2 I. Präzise Analysen mit
Wärmebildern I Bild 3 I dienten zum Optimieren des Blockgewichtes
und der Wärmeisolierung des Gießaufsatzes.
Schmieden der Welle
Nach dem Abstreifen wurde der Block in einer 12.600 t Presse geschmiedet.
Das Warmumformen erfolgte in mehreren Schritten, be-
ThyssenKrupp techforum 2 | 2007
Große geschmiedete Wellen für Kraftwerksturbinen | 37
Bild 3 | Prüfung der Wärmeisolierung des Gießaufsatzes mittels Wärmebildern
Temperatur [°C]
293,6
ginnend bei einer Temperatur von 1.200 °C. Das Werkstück wurde
mehrfach bis in die Nähe des zulässigen Temperatur-Mindestwertes
geschmiedet und anschließend im Ofen erwärmt. Auf diese Weise
wurde sichergestellt, dass der Stahl korrekt verformt wurde. Das
Schmiedeverfahren dauerte mehrere Stunden bis die vorgegebene
Form des Werkstückes erreicht war; das Gewicht des Fertigteiles
betrug 138 t.
Das Schmieden solcher Wellen muss äußerst präzise erfolgen,
selbst bei schwersten Blöcken von 230 t und in einer starken Presse
von 12.600 t I Bild 4 I. Dieses Umformverfahren ist zweifellos der
kritischste Herstellprozess, dort bilden sich die gewünschte Mikrostruktur
(gleichmäßig angelassenes Bainitgefüge) und die Kornfeinheit
aus.
Spezielle Wärmebehandlung
Nach dem Schmieden wurde das Werkstück einer Reihe von vorbereitenden
Wärmebehandlungen (Normalglühen, Anlassen) und
Vergüten (Härten, Anlassen) nach einem speziellen Plan unterzogen,
um die gewünschten mechanischen Eigenschaften zu erzielen. Das
Härten erfolgte durch Abschrecken in einer Flüssigkeit in der Art und
Weise, dass gleichmäßige Eigenschaften erzielt wurden. Die Welle
wurde abgeschreckt, bis die Temperatur in der Mitte des Rotorkörpers
niedriger als 100 °C war. Die Anlasstemperatur wurde so gewählt,
dass die vorgegebene 0,2-%-Dehngrenze sowie eine bestmögliche
Zähigkeit erreicht wurden. Die Dauer des Anlassens und die kontrol-
200
150
100
50,0

38 |
Bild 4 | Schmieden auf einer 12.600 t Presse
ThyssenKrupp techforum 2 | 2007

lierte Abkühlgeschwindigkeit wurden derart geplant, dass möglichst
geringe Eigenspannungen verblieben – gemessen mit einem speziell
entwickelten und zugelassenen Verfahren (z.B. Ringkernmethode der
Kraftwerkunion KWU). Zielvorgabe war, dass die Eigenspannungen
(Druck) an der Oberfläche nicht mehr als 60 MPa betrugen.
Mechanische Prüfungen
Nach der Wärmebehandlung wurden mehrere mechanische Prüfungen,
wie z.B. Zugversuch und Charpy-V-Probe durchgeführt, um die erreichten
mechanischen Eigenschaften zu bestätigen. Die Herstellung
der Proben erfolgte gemäß den Siemens-Vorgaben. Die Stücke für
Zug- und Schlagversuche wurden in einem Abstand von 40 mm zu
den wärmebehandelten Oberflächen entnommen. Bei Raumtemperatur
wurden folgende Werte der mechanischen Eigenschaften erreicht:
0,2-%-Dehngrenze: 580-680 MPa
Zugfestigkeit: < 820 MPa
Bruchdehnung: > 16 %
Brucheinschnürung: > 50 %
Kerbschlagarbeit: > 100 J
Vordrehen und Ultraschallprüfung
Nach Ermittlung und Überprüfung der mechanischen Eigenschaften
wurde das Werkstück spanend bearbeitet, um eine Oberflächenform
und -güte zu erzielen, die für einen Ultraschalltest gemäß dem
Siemens-Verfahren geeignet war. Die Brauchbarkeit aller Teile der
Bild 5 | Fertigbearbeitung der Turbinenwelle
ThyssenKrupp techforum 2 | 2007
Große geschmiedete Wellen für Kraftwerksturbinen | 39
Rotorwelle wurde unter Anwendung sehr strenger Kriterien erfolgreich
geprüft; Fehlstellen im axialen Bereich durften einen äquivalenten
Durchmesser von nicht mehr als 3 mm aufweisen.
Fertigbearbeitung und Magnetpulvertest
Nach positivem Ergebnis der Ultraschallprüfung erfolgte die Fertigbearbeitung
auf einer Horizontaldrehbank, um die endgültige Form
gemäß Kundenzeichnung herzustellen I Bild 5 I. Das Liefergewicht
betrug 96 t bei einem Durchmesser von 1.830 mm und einer Gesamtlänge
von 7.698 mm. Erst nach dem Fertigbearbeiten wurde die
Oberfläche der Rotorwelle einem Magnetpulvertest unterzogen.
Fazit
Die erfolgreiche Herstellung eines solch wichtigen Schmiedeteiles ist
ein Beweis allerhöchster Produktionsqualität, wie sie im Kraftwerksbau
erforderlich ist. Das Unternehmen Società delle Fucine wird von
Siemens Power Generation (PG) als wichtiger Lieferant solcher Komponenten
betrachtet und hat im August 2007 den Lieferantenpreis
„Pionier bei der Herstellung von Schmiedeteilen für die größte Dampfturbine
der Welt“ bekommen.
Società delle Fucine wird sich aufgrund der positiven Erfahrungen
weiterhin mit großem Engagement mit der Entwicklung derartiger
Komponenten und Ausrüstungen, die hohen Qualitätsanforderungen
genügen müssen, befassen.

40 |
| Rohre aus Nicrofer 5520CoB - alloy 617B in der Komponententestanlage COMTES 700 im Kraftwerk Scholven
ThyssenKrupp techforum 2 | 2007

ThyssenKrupp techforum 2 | 2007
Nickellegierungen
für Kraftwerke der Zukunft
DR.-ING. JUTTA KLÖWER Leiterin Forschung und Entwicklung | ThyssenKrupp VDM, Werdohl
DR. RER. NAT. BODO GEHRMANN Projektleiter Superlegierungen, Forschung und Entwicklung | ThyssenKrupp VDM, Werdohl
Wirkungsgradsteigerungen in fossil befeuerten Kraftwerken führen zunehmend
zu höheren Temperaturen sowie Drücken und machen den Einsatz von Nickellegierungen
erforderlich. In der Gasturbine der Gas- und Dampfkraftwerke haben
Superlegierungen auf Nickelbasis bereits ihren festen Platz gefunden. Mit der
Entwicklung der 700-°C-Technologie für Kohlekraftwerke werden Nickellegierungen
in der nächsten Kraftwerksgeneration nun auch in Kessel und Dampfturbinen
eingesetzt werden. ThyssenKrupp VDM hat gemeinsam mit Kraftwerksbetreibern
und Herstellern von Kraftwerkskesseln mit der Legierungsvariante
Nicrofer 5520CoB-alloy 617B einen Werkstoff entwickelt, der bereits seine
Eignung für das 700-°C-Kraftwerk in einer Pilotanlage bewiesen hat.
| 41

42 | Nickellegierungen für Kraftwerke der Zukunft
Wirkungsgrade in der Kraftwerkstechnologie
Bedingt durch den weltweit steigenden Energiebedarf werden hocheffiziente
Kohlekraftwerke, trotz aller Fortschritte bei den regenerativen
Energien, auf absehbare Zeit die Stromversorgung sicherstellen
müssen. Weltweit wird von einer Verdoppelung des Bedarfes an elektrischer
Energie bis zum Jahr 2030 ausgegangen I Bild 1 I, allein in
der EU 15 bestehen ein Energie-Zusatzbedarf von 100.000 MW und
ein Ersatzbedarf von 200.000 MW, was dem Neubau von 300 Kraftwerken
mit der Leistung von je 1.000 MW entspricht. Vor diesem
Hintergrund werden Technologie-Innovationen im Zusammenhang
mit fossil befeuerten Kraftwerken zum entscheidenden Schlüssel für
effizienten Klimaschutz und zur Ressourcenschonung.
Moderne Kohlekraftwerke erreichen heute Wirkungsgrade von 43 %.
Sie liegen damit deutlich über dem weltweiten Durchschnitt, der 31 %
beträgt. Da der CO2-Ausstoß umgekehrt proportional zum Wirkungsgrad
ist, kann bereits durch Ersatz veralteter Kraftwerke auf Basis
neuer Technologien der Ausstoß dieses Treibhausgases erheblich
vermindert werden.
Eine bereits etablierte technologische Entwicklung sind die sogenannten
Gas- und Dampfkraftwerke (GuD-Anlagen), bei denen die
Abwärme der erdgasbetriebenen Gasturbine genutzt wird, um den
Dampf für die Dampfturbine zu produzieren. In I Bild 2 I ist die Funktion
einer GuD-Anlage schematisch dargestellt. Solche Anlagen erreichen
bereits heute Wirkungsgrade nahezu 60 %. Weiterentwicklungen der
GuD-Technologie zielen auf die Substitution des Erdgases, z.B. durch
Gas aus der Kohlevergasung, ab.
Erzeugte elektrische Energie [TWh]
40.000
35.000
30.000
25.000
20.000
15.000
10.000
5.000
0
1990
Bild 1 | Schätzung des Weltenergiebedarfes bis 2030
Jüngste technologische Entwicklungen beschäftigen sich mit der
weiteren Wirkungsgradsteigerung von Kohlekraftwerken. Da der
Wirkungsgrad jedes Kraftwerkes in erster Linie von der Temperatur
abhängt, zielen die meisten Maßnahmen zur Wirkungsgradsteigerung
auf eine Erhöhung der Frischdampftemperatur ab. Vergleichbar dem
Schnellkochtopf können auch im Kraftwerkskessel höhere Temperaturen
nur über eine Erhöhung des Druckes erzielt werden. Sind heute
Temperaturen von etwa 620 °C bei Drücken von 270 bar Stand der
Technik, so sind bereits Kraftwerke mit Temperaturen von 700 °C
bei Drücken von 350 bar in Planung.
Die steigenden Temperaturen bei höheren Drücken sowie der
zunehmende Einsatz korrosiver Brenngase stellen hohe Anforderungen
an die verwendeten Werkstoffe und machen zunehmend den
Einsatz von Nickellegierungen erforderlich.
Zukünftige Anwendungen von Nickellegierungen
im Kraftwerksbereich
Nickellegierungen in der Gasturbine
Die Verwendung von Nickellegierungen in Industriegasturbinen I Bild 3 I
ist bereits Stand der Technik. Wie schon lange im Flugzeugtriebwerk
üblich, werden heute auch in der Industriegasturbine Nickellegierungen
eingesetzt, sei es für Bleche der Brennkammer und Heißgasleitungen,
Schmiedeteile für Scheiben, Ringe und Schaufeln oder für
gegossene Einkristalle bei thermisch besonders beanspruchten Schaufeln.
Die Anforderungen sind hoch: Neben ausreichenden Zeitstandfestigkeiten
von mehr als 100.000 Stunden bei mehr als 1.000 °C
2000
2010
2020
Gas
Kohle,
Neue Technologien
Kohle
Andere
Nuklear
Alternative
Wasser
2030
ThyssenKrupp techforum 2 | 2007

Gas/Öl
Luft
Kühlwasser
Bild 2 | Flussbild GuD-Technologie
müssen die Werkstoffe auch beständig gegen Ermüdung durch thermische
Wechselbeanspruchung, gegen Hochtemperaturkorrosion
und gegen Hochtemperaturkriechen sein. Zur Herstellung komplizierter
Brennkammerkomponenten sind gute Verformbarkeit und
gute Schweißbarkeit wichtig. Es gibt nur wenige Werkstoffe, die diese
Anforderungen erfüllen. I Bild 4 I zeigt die Zusammensetzung typischer
Gasturbinenwerkstoffe aus dem Portfolio von ThyssenKrupp VDM.
Nickel in Verbindung mit Molybdän, Kobalt und Wolfram sorgt für die
nötige Zeitstand,- Kriech- und Ermüdungsfestigkeit. Chrom in der
Größenordnung von etwa 20 % sorgt für die Beständigkeit gegen
Hochtemperaturkorrosion. Aluminium und Titan erhöhen ebenfalls
die Zeitstandfestigkeit durch die Ausscheidung festigkeitssteigernder
intermetallischer NiX(Al,Ti)y-Phasen bei Betriebstemperatur. Diese
Elemente müssen jedoch sehr sorgfältig dosiert werden, da ein Zuviel
an intermetallischen Phasen einen spröden, nicht mehr verform- und
schweißbaren Werkstoff verursacht. Das Unternehmen ThyssenKrupp
VDM verfügt hier über ein langjähriges Know-how.
ThyssenKrupp techforum 2 | 2007
Kondensator
Wasserstoffreiches Gas
Brennkammer
Gasturbine
Dampfturbine
Abgas
Nickellegierungen für Kraftwerke der Zukunft | 43
Wärmerückgewinnung
mittels Dampfgenerator
Gasturbinen-
Generator
Dampfturbinen-
Generator
Strom
Strom
Werkstoffweiterentwicklungen betreffen in erster Linie die Verarbeitbarkeit
der verwendeten Blechwerkstoffe. Eng tolerierte Analysen und
die Verwendung moderner Umschmelztechnologien stellen sicher,
dass die Gefüge der Blechwerkstoffe frei von oxidischen Einschlüssen
sind. Dies ist eine Voraussetzung dafür, dass die Werkstoffe auch
mit modernen Umformverfahren verarbeitbar und mit Hochleistungsschweißverfahren
schweißbar sind.
Nickellegierungen im Kessel von 700-°C-Kraftwerken
Im Kessel von Kohlekraftwerken werden bis heute üblicherweise
warmfeste Baustähle oder martensitische Stähle vom Typ P91 oder
P92 eingesetzt. Diese so genannten Kesselstähle weisen bis zu einer
Dampftemperatur von 600 °C gute Festigkeiten auf. Bei Kesseltemperaturen
von 700 °C und Dampfdrücken von 350 bar kommen konventionelle
Kesselstähle jedoch nicht mehr in Frage, da diese bei
700 °C praktisch keine Warmfestigkeit mehr aufweisen, wie I Bild 5 I
am Beispiel der 100.000 Stunden Zeitstandfestigkeit für den marten-

44 |
Bild 3 | Gasturbine
sitischen Kesselstahl P91 zeigt. Standard-Edelstähle sind bis zu
höheren Temperaturen einsetzbar, die geforderte Zeitstandfestigkeit
von mindestens 100 MPa bei 700 °C wurde jedoch von keinem
Edelstahl erreicht.
Für den Kessel des ersten Kohlekraftwerkes in 700-°C-Technologie
wurde daher nach umfangreichen Untersuchungen durch ein Team
aus Kraftwerksbetreibern, Kessel,- Komponenten-, Rohr- und Werkstoffherstellern
der Gasturbinenwerkstoff Nicrofer 5520Co - alloy 617
(2.46630) ausgewählt. Die langjährigen Erfahrungen mit diesem
Werkstoff im Gasturbinenbau, die Zeitstandfestigkeit von mehr als
100 MPa bei 700 °C und die gute Verarbeitbarkeit und Schweißbarkeit
haben zur Wahl dieses Werkstoffes geführt. Nicrofer 5520Co
ist darüber hinaus bis zu einer Einsatztemperatur von 1.050 °C für
den Druckbehälterbau zugelassen.
Um möglichst dünnwandig konstruieren zu können, wird speziell
für die Anwendung im Kraftwerkskessel die Sondervariante Nicrofer
5520CoB - alloy 617B hergestellt. Durch Zulegieren von Bor und das
Einstellen eng tolerierter Zusätze der festigkeitssteigernden Elemente
Aluminium, Titan, Kobalt und Kohlenstoff wird mit der Sondervariante
eine weitere Steigerung der zulässigen mechanischen Spannungen
um 20 % erreicht. I Bild 6 I zeigt die chemische Zusammensetzung
der Sondervariante im Vergleich zur „Normalvariante“, in I Bild 7 I
ist die 100.000-Stunden-Zeitstandfestigkeit der modifizierten Variante
nach Einzelgutachten des TÜV Rheinland im Vergleich mit der Standardvariante
dargestellt.
Die Eignung des Werkstoffes für den Einsatz bei 700 °C konnte
bereits erfolgreich nachgewiesen werden. Gepilgerte und geschmiedete
Rohre und Komponenten aus Nicrofer 5520CoB laufen bereits
in der Komponententestanlage COMTES (COMponent TESt Facility)
an einem Kraftwerksstandort von E.ON in Scholven, Nordrhein-
Westfalen I siehe Titelbild Bericht I. Die dünnwandigen Rohre wurden
im Kaltpilgerverfahren hergestellt, die dickwandigen Zwischenüberhitzerrohre
(bis 60 mm) wurden aus dem Vollen gebohrt.
Der Baubeginn für das erste 700-°C-Kraftwerk von E.ON in
Wilhelmshaven ist für das Jahr 2010 geplant. Für die Werkstoff- und
Komponentenhersteller geht es nun in die zweite Phase: Die wirtschaftliche
Standardfertigung von Rohren und Komponenten aus
Nickellegierungen unter Berücksichtigung der extremen Qualitätsanforderungen
der Energieversorgungsunternehmen an Kesselwerkstoffe
steht künftig im Vordergrund.
Werkstoffe für die übernächste Generation von Kohlekraftwerken
Im Jahre 2005 wurde vom Bundesministerium für Arbeit und Wirtschaft
die Initiative COORETEC (CO2 – REduktions-TEChnologien)
ThyssenKrupp techforum 2 | 2007

Zeitstandfestigkeit Rm [MPa]
gestartet. Die Initiative hat neben der Entwicklung eines emissionsfreien
(’Zero-Emission’) Kraftwerkes durch CO2-Speicherung auch die
weitere Steigerung des Wirkungsgrades fossil befeuerter Kraftwerke
auf mittelfristig 60 bis 65 % zum Ziel. Gegenstand der Betrachtung
sind die Weiterentwicklung und Charakterisierung von Werkstoffen
sowie die Weiterentwicklung von Prozessen und Komponenten.
Werkstoffe spielen in zweierlei Hinsicht eine wichtige Rolle über
den gesamten Entwicklungszeitrahmen: Zum einen ist die Kostenoptimierung
bei Werkstoffeinsatz und Komponentenherstellung von
Bedeutung, da die Investitionskosten durch die Material- und Herstellkosten
der Rohrleitungen im Kessel entscheidend mitbestimmt werden.
Je höher die Festigkeit, desto dünnwandiger kann konstruiert werden
ThyssenKrupp techforum 2 | 2007
Nickellegierungen für Kraftwerke der Zukunft | 45
Werkstoff Alloy Typische Zusammensetzung in Masse %
Ni Cr Co Mo Fe Sonstige
Nicrofer 4722Co X 48 22 1 9 18
Nicrofer 5520Co 617 54 22 11,5 9 < 2 1 Al
Nicrofer 5120CoTi C-263 51 20 20 6 0,5 2,2 Ti, 0,5 Al
Nicrofer 6020hMo 625 62 22 9 2,5 3,5 Nb
Bild 4 | Zusammensetzungen von Gasturbinenwerkstoffen
300
250
200
150
100
50
0
500
550
600
Nicrofer 5520CoB - alloy 617B
Kesselstahl P 91
650
Temperaturen [°C]
Bild 5 | Festigkeit von Kesselstahl P91 im Vergleich zur Nickellegierung
Nicrofer 5520CoB – alloy 617B
700 750
und desto einfacher ist die Rohrherstellung. Noch wichtiger als die
wirtschaftlichen Aspekte sind die Fragen der Sicherheit. Bei einem
Riss in einem Hochdruckrohr tritt Dampf mit Schallgeschwindigkeit
aus – das bedeutet Lebensgefahr für die im Kraftwerk beschäftigen
Mitarbeiter. Ziel des Projektes ist auch die Vermehrung des Wissens
über die Wechselwirkung zwischen den Prozessbedingungen und den
Werkstoffen, um die technischen und kommerziellen Risiken im Fall
der Einführung von verbesserten oder neuen Kraftwerkskonzepten
sicher einschätzen zu können. Jeder neue Werkstoff und jedes neue
Werkstoffkonzept muss im Rahmen des Projektes umfangreiche
Qualifizierungsmaßnahmen durchlaufen.
Nicrofer 5520Co - Nicrofer 5520CoB -
alloy 617 (VdTÜV 485) alloy 617B
Nickel REST REST
Cr 20 - 23 21 - 23
Fe < 2 < 1,5
Mo 8 - 10 8 - 10
Co 41548 11 - 13
Al 0,6 - 1,5 0,8 - 1,3
Ti 0,2 - 0,5 0,3 - 0,5
B 0,002 - 0,005
C 0,05 - 0,10 0,05 - 0,08
Si < 0,7 < 0,3
N < 0,05
Mn < 0,7 < 0,3
S < 0,008 < 0,008
P < 0,012 < 0,012
Cu < 0,05
Bild 6 | Vergleich der Zusammensetzungen von Nicrofer 5520Co und Nicrofer 5520CoB

46 | Nickellegierungen für Kraftwerke der Zukunft
Zeitstandfestigkeit Rm [10 5 MPa]
300
200
100
0
Bild 7 | Festigkeitsvergleich der Werkstoffe Nicrofer 5520Co und Nicrofer 5520CoB
Die größten Chancen für die übernächste Generation der 700-°C-
Kraftwerke hat nach derzeitigem Kenntnisstand die Nickellegierung
Nicrofer 5120CoTi - alloy C-263. Dieser Werkstoff weist eine Zeitstandfestigkeit
auf, die bei 700 °C etwa 100 % über der des Nicrofer
5520Co - alloy 617 liegt. Für die höhere Festigkeit sind in erster Linie
die höheren Gehalte an Aluminium und Titan verantwortlich, die einen
höheren Anteil feinster Ausscheidungen intermetallischer γ´-Phasen
auf Basis NiX(Al,Ti)y bewirken. Der hohe Gehalt an Kobalt sorgt dafür,
dass Aluminium und Titan während des Herstellungs- und Schweißprozesses
im Gefüge gelöst sind und die festigkeitssteigernden,
aber die Schweiß- und Verarbeitbarkeit erschwerenden γ´-Phasen
erst bei gezielter Wärmebehandlung in den fertigen Komponenten
erzeugt werden.
Während der Werkstoff Nicrofer 5520CoB-alloy 617B bereits seine
Eignung für die 700-°C-Technologie bewiesen hat und ein umfangreiches
Untersuchungs- und Qualifizierungsprogramm durchlaufen
hat, muss dies für die Legierung Nicrofer 5120CoTi-alloy C-263 im
Rahmen des COORETEC-Projektes noch erfolgen.
Nicrofer 5520Co - alloy 617 (2.46630) Nicrofer 5520CoB - alloy 617B
600 620 640 660 680 700 720 740
Temperatur [°C]
Fazit
Gleich, wie das Kraftwerk der Zukunft aussehen wird: Bleche, Bänder
Rohre, Draht und Schmiedeteile aus Nickellegierungen werden eine
bedeutende Rolle spielen I Bild 8 I. In der Gasturbine haben sich
Nickellegierungen bereits ihren festen Platz erobert, mit der Entwicklung
der 700-°C-Technologie im Kohlekraftwerk kommen Nickellegierungen
nun auch im Kohlekraftwerk zum Einsatz. Mit dem Werkstoff
Nicrofer 5520CoB-alloy 617B steht nun ein Werkstoff zur Verfügung,
der seine Eignung für die 700-°C-Kraftwerkstechnologie bereits
bewiesen hat. Nun geht es in die nächste Phase: die wirtschaftliche
Herstellung von Komponenten.
ThyssenKrupp VDM ist bereits jetzt für die nächste Kraftwerksgeneration
mit höheren Wirkungsgraden gut gerüstet. Und während
sich die Ingenieure um die Herstellung längstnahtgeschweißter dickwandiger
Rohre und großformatiger Schmiedestücke aus der hochwarmfesten
Nickellegierung bemühen, arbeiten die Forscher in den
Labors weiter an Werkstoffen für die übernächste Generation von
Kohlekraftwerken.
ThyssenKrupp techforum 2 | 2007

Bild 8 | Halbzeuge aus Nickellegierungen
ThyssenKrupp techforum 2 | 2007
Nickellegierungen für Kraftwerke der Zukunft | 47

48 |
| Neuer Calcinator der Weißzementanlage in El Alto, Spanien
ThyssenKrupp techforum 2 | 2007

Umweltfreundliche und energetisch
effiziente Weißzementherstellung
mit modernster Technologie
DIPL.-ING. LUIS LAGAR-GARCÍA Fachbereich Forschung und Entwicklung, Leiter Wärme- und Umwelttechnik | Polysius AG, Neubeckum
DR.-ING. DIETMAR SCHULZ Leiter Forschung und Entwicklung | Polysius AG, Neubeckum
Die Herstellung von Zement ist ein energieintensiver Prozess, da die eingesetzten Rohstoffe bei über
1.400 °C gebrannt werden müssen. Das Potenzial, Emissionen zu senken, ist daher gerade bei älteren
Anlagen groß. Das Beispiel einer Weißzementanlage zeigt, dass durch den Einsatz modernster Technologie
eine deutliche Emissionsminderung auch unter wirtschaftlichen Gesichtspunkten möglich ist.
Einleitung
Beton ist nach Wasser das meist verbrauchte Kosumgut der Welt
und damit ein wichtiger Bestandteil unserer Gesellschaft. Weltweit
werden jährlich 2,6 Mrd t Zement verbraucht. Die Herstellung von
Zement ist ein energieintensives Verfahren, da die eingesetzten Rohstoffe
bei 1.400 °C gebrannt werden, um den so genannten Klinker
zu erzeugen. Nach der Kühlung des Klinkers wird dieser zusammen
mit unterschiedlichen Zuschlagstoffen, wie beispielsweise Gips,
gemahlen, um schließlich den Zement herzustellen.
Die Zementindustrie wird mit strengen gesetzlichen Bestimmungen
und mit der Verantwortung als Mitglied der Gesellschaft konfrontiert,
die mit dem Zementherstellungsprozess verbundenen Emissionen zu
reduzieren, während gleichzeitig im Rahmen eines wachsenden Wettbewerbsumfeldes
die beste Produktqualität zu gewährleisten ist und
die Herstellungskosten zu minimieren sind. Diese anspruchsvollen
Ziele sind ausschließlich durch den Einsatz modernster Technologien
zu erfüllen.
Klinkerherstellung und Emissionen
Bei der Klinkerherstellung fallen Emissionen unterschiedlicher Art an,
welche teilweise der energieintensiven Verbrennung aber auch prozessbezogener
chemischer Reaktionen anzurechnen sind:
ThyssenKrupp techforum 2 | 2007
CO2-Emissionen
Die CO2-Emissionen bei der Herstellung von reinem Portlandzement
(ohne Sekundärbrennstoffe, ohne Zusatzstoffe wie Hüttensand, Flugasche
etc.) entstehen aus drei unterschiedlichen Quellen | Bild 1 |:
Rohmaterial bedingte CO2-Emissionen:
Der als Rohstoff eingesetzte Kalkstein (CaCO3) zersetzt sich beim
Brennen in CaO und CO2 (etwa 61 % der gesamten spezifischen
CO2-Emissionen pro Tonne Klinker).
Brennstoffbedingte CO2-Emissionen:
Ca. 32 % der spezifischen CO2-Emissionen bei der Klinkerherstellung
sind auf den energieintensiven Verbrennungsprozess
zurückzuführen.
CO2 aus elektrischer Energie:
| 49
Der kleinste Anteil der CO2-Emissionen bei der Zementherstellung
ist dem elektrischen Energieverbrauch zuzuordnen (ca. 7 % des
gesamten CO2-Ausstoßes bei der Zementherstellung).
NOX-Emissionen
Stickstoffoxide entstehen während der Verbrennung von Brennstoffen
bei hohen Temperaturen (> 1.300 °C) aus der Oxidation des Luftstickstoffes
(sog. thermisches NO) und bei ausreichendem Sauerstoffangebot
aus der Oxidation des im Brennstoff enthaltenen Stickstoffes
(sog. Brennstoff NO).

50 | Umweltfreundliche und energetisch effiziente Weißzementherstellung mit modernster Technologie
Bild 1 | CO2-Entstehung bei der Herstellung von reinem Portlandzement
SO2-Emissionen
SO2 entsteht bei der Oxidation von Schwefelverbindungen. Die Ur-
sachen für die Entstehung von SO2-Emissionen bei der Zementher-
stellung sind der Einsatz schwefelhaltiger Rohmaterialien und bei
älteren Anlagen der Einsatz schwefelhaltiger Brennstoffe. In modernen
Anlagen wird durch Einsatz eines so genannten Calcinators das
bei der Verbrennung freigesetzte SO2 wieder absorbiert und mit dem
Klinker aus dem System ausgetragen, sodass nur das Rohmaterial
zur SO2-Emission beiträgt.
Energetisch effiziente und umweltfreundliche Zementherstellung
durch den Einsatz modernster Technologie
Nur durch den Einsatz modernster Technologie ist eine energieeffiziente
und umweltfreundliche Zementherstellung möglich. Polysius
ist als führender Anbieter von hochtechnologischen Maschinen und
Anlagen für die Zementherstellung bestrebt, die Effizienz und die
Umweltfreundlichkeit seiner Anlagen immer weiter zu verbessern.
Am Beispiel der Modernisierung der Weißzementanlage in El Alto,
Spanien, wird ein Ergebnis dieses Bestrebens vorgestellt.
Modernisierung der Weißzementanlage in El Alto, Spanien
Projektziele
Die Weißzementanlage in El Alto bei Madrid gehört zu Cementos
Portland Valderrivas, dem größten Zementhersteller Spaniens, mit
Werken in Spanien, USA, Argentinien, Uruguay and Tunesien. Die
jährliche Gesamtproduktion des Konzerns liegt bei ca. 19 Mio t Zement.
Die Linie in El Alto wurde im Jahr 1998 von einem dänischen Anlagenbauer
gebaut und 1999 in Betrieb genommen. Die Anlage hatte eine
Leistung von ca. 750 t Klinker pro Tag und der Betrieb war durch
einen hohen Wärmeverbrauch und sehr hohe SO2- und NOX-Emissionen
gekennzeichnet.
Die Reduzierung der hohen Emissionen war das Hauptziel der
Anlagenmodernisierung durch Polysius. Weitere Ziele waren eine
Erhöhung der Produktion der Anlage, eine Reduzierung des Energie-
Rohmaterial 61 % Elektrische Energie 7 % Brennstoff 32 %
verbrauches, eine Minimierung des Wasserverbrauches und eine generelle
Optimierung des Anlagenbetriebes, um die Verfügbarkeit der
Anlage zu erhöhen. Dazu sollte die beste Produktqualität, die sich bei
Weißzement direkt im Preis niederschlägt, gewährleistet werden. Eine
weitere wichtige Anforderung an das Projekt bestand in der Minimierung
der Anlagenstillstandzeit während der Modernisierung.
Polysius-Konzept zur Modernisierung der Ofenlinie
Um die oben genannten äußerst anspruchsvollen Ziele erreichen
zu können, entwickelte Polysius ein maßgeschneidertes innovatives
und integriertes Konzept für die Modernisierung des Werkes El Alto.
Vor der Modernisierung war die Weißzementanlage eine einfache
Produktionslinie nach dem klassischen Konzept: ein 2-stufiger Zyklonvorwärmer,
ein Luft-Luft-Wärmetauscher für die Vorwärmung der
Verbrennungsluft, ein sehr langer Drehrohrofen und eine große Kühltrommel
für die Endkühlung des Klinkers mit Wasser | Bild 2 |. Das
von Polysius entwickelte Konzept für den Umbau der Ofenlinie beinhaltet
die folgenden Modifikationen | Bild 3 |:
Die Installation eines Calcinators mit 2 speziellen Calcinierbrennern.
Der Calcinator war speziell für den Einsatz von 100 % Petrolkoks
ausgelegt. Folgende Ziele konnten erreicht werden:
- Verringerung der thermischen Sinterzonenbelastung um 25-30 %:
Dadurch war die Steigerung der Durchsatzleistung möglich.
- Realisierung der Schwefelabsorption im Calcinator aufgrund des
Überschusses an CaO, das als Schwefelfalle dient und damit die
SO2-Emissionen drastisch senkt,
- Aufteilung der Brennstoffe auf zwei Brennstellen (Calcinator und
Sinterzone) und dadurch eine signifikante Reduzierung der NOX-
Emissionen;
Weitere Modifikationen betrafen den Umbau der untersten Zyklonstufe
auf die neuen Gegebenheiten, die Installation eines neuen
Ofeneinlaufgehäuses sowie eines neuen Abgasventilators. Zudem
wurde der Schlauchfilter, der für die Einhaltung der Partikelemissionen
verantwortlich ist, von einem Überdruck- auf einen Unter-
ThyssenKrupp techforum 2 | 2007

druckbetrieb umgebaut. Schließlich musste ein neuer Ofenhauptantrieb
installiert werden, um die neue Produktionsleistung durch
Erhöhung der Ofendrehzahl zu gewährleisten.
Eine Schlüsselkomponente in dem Weißzementkonzept von Polysius,
die für das Erreichen der ambitionierten Emissionsminderungen
notwendig ist, stellt der Sinterzonenbrenner Polflame VN dar.
Durch seine spezielle Konstruktion kann die Flammenformung in
sehr weiten Bereichen auf den Brennprozess angepasst werden.
Ein neuer Ofenkopf wurde installiert, mit dem die Verbrennungsluft
in den Drehofen eingeleitet wird.
Filter-Fan
Frischluft
Umweltfreundliche und energetisch effiziente Weißzementherstellung mit modernster Technologie | 51
Vorgewärmte Verbrennungsluft, T = 230 °C
Luft-Luft Wärmetauscher
Rohmehlaufgabe
Bild 2 | Weißzementanlage in El Alto vor der Modernisierung
ID-Fan
Tertiärluftleitung
Ofeneinlauf
Ofenantrieb
2-Stufen Vorwärmer
Drehrohrofen
(95 x 4,35 m)
Bild 3 | Weißzementanlage in El Alto nach der Modernisierung, Neuanlagen rot
ThyssenKrupp techforum 2 | 2007
Ofenkopf
Calcinator
Kühltrommel
(11,3 x 3,95 m)
Mehlschurren
und Dach des Zyklon 1
Polflame Hauptbrenner
Ofenauslaufdichtung
Das Herz des Herstellungsprozesses für Weißzement ist jedoch der
Kühler. Das innovative Twin Cooler-Konzept von Polysius erlaubt
eine schnelle Abkühlung des 1.450 °C heißen Klinkers binnen
kürzester Zeit unter inerten Bedingungen sowie die größtmögliche
Wiederverwertung der restlichen Klinkerwärme für den Brennprozess.
Der gesamte ursprüngliche Kühlerbereich in El Alto wurde
ersetzt durch den Twin Cooler, bestehend aus:
einem Rohrkühler für die Abschreckung des Klinkers mit Wasser,
einem Walzenbrecher zur Zerkleinerung von Ansatzstücken aus
dem Drehrohrofen,
4
1
2
3
Brüdenfilter
Klinkertransport
Twin-Cooler
1 Kühltrommel
2 Walzenbrecher
3 Polytrack-Kühler
4
Heißgaserzeuger

52 | Umweltfreundliche und energetisch effiziente Weißzementherstellung mit modernster Technologie
Bild 4 | Montage im Kühlerbereich während der laufenden Produktion
einem Polytrack, ein Rostkühler der 3. Generation, der die Restwärme
des Klinkers im Anschluss an die Wasserkühlung durch
Kühlung mit Luft dem Brennprozess wieder zuführt; der Klinker
wird dabei von 600 °C auf nahezu Umgebungstemperatur abgekühlt
sowie
einer Brennkammer, die die vorgewärmte Verbrennungsluft
weiter aufheizt, um ideale Brennbedingungen im Drehrohrofen
bereit zu stellen.
Montage, Inbetriebnahme und Betrieb
Eine wesentliche Anforderung an die Modernisierung des Werkes
in El Alto war eine minimale Stillstandszeit der Anlage während des
Umbaus. Zu diesem Zweck wurde daher ein ambitioniertes Konzept
entwickelt und umgesetzt, sodass nach nur zwei Monaten Stillstand
das Werk die Produktion wieder aufnehmen konnte. Erreicht wurde
dies dadurch, dass ein großer Teil der neuen Maschineneinrichtung
bereits während des laufenden Produktionsprozesses an Ort und
Stelle aufgebaut wurde. Dies war zum Beispiel für den Calcinator
und den Kühlerbereich der Fall. | Bild 4 | zeigt einige Phasen der
Montage des Kühlers. Sowohl die verschiedenen Ebenen des Kühlergebäudes,
als auch die Gasleitungen, der Entstaubungszyklon sowie
die Brennkammer wurden im Werk vormontiert und dann mit großen
Kränen in die richtige Position gehoben, während die Anlage weiter
produzierte. Dieser hohe Grad an Vormontage während des laufenden
Betriebes ermöglichte es, die restlichen notwendigen Anschlussarbeiten
innerhalb kürzester Zeit durchzuführen. | Bild 5 | zeigt einen
generellen Überblick über die neu installierte Kühlersektion.
Die Ofenlinie nahm im Oktober 2006 die Produktion wieder auf,
und bereits nach kurzer Laufzeit konnten alle Garantiewerte erreicht
werden. | Bild 6 | zeigt die erreichten Verbesserungen:
Die Klinkerproduktion konnte auf über 950 t pro Tag gesteigert
werden. Dies entspricht einer Zunahme von mehr als 25 %.
Gleichzeitig konnte der Wärmeverbrauch deutlich gesenkt werden,
sodass insgesamt etwa 10 % der aus dem Brennstoff stammenden
CO2-Emissionen eingespart werden konnten.
Durch die geänderte Brennstoffaufteilung sowie durch die Installation
der neuen Brenner in der Sinterzone und im Calcinator,
konnte die NOX-Emission um mehr als 75 % abgesenkt werden.
Diese deutliche Reduktion der NOX-Emissionen erlaubte es auf
zusätzliche Maßnahmen, wie das Eindüsen von Ammoniakhaltigen
Lösungen, zu verzichten, sodass die spezifischen Produktionskosten
weiter gesenkt werden konnten.
ThyssenKrupp techforum 2 | 2007

Bild 5 | Twin Cooler nach der Inbetriebnahme
Fazit
Die vor dem Umbau herrschenden hohen SO2-Emissionen konnten
durch den Einbau des Calcinators drastisch gesenkt werden. Da
dieser als Schwefelfalle wirkt, nahmen die Emissionen um etwa
95 % ab.
Ein weiterer wichtiger Umweltfaktor ist der Wasserverbrauch zum
Kühlen des Weißzementklinkers unter inerten Bedingungen. Durch
das Twin Cooler-Konzept konnte der Wasserverbrauch um etwa
10 % gesenkt werden, unter Wahrung höchster Qualitätsanforderungen
an die Weiße des Klinkers.
Die Modernisierung der Weißzementlinie in EL Alto und die erzielten
verfahrenstechnischen Prozess- und Produktionsverbesserungen
zeigen den Weg, um die strengen wirtschaftlichen und gesetzlichen
Rahmenbedingungen in Europa einhalten zu können. Durch den
Einsatz modernster Technologie als Ergebnis zahlreicher Erfahrungen,
Know-how-Gewinnung sowie Forschung und Entwicklung, kann die
beste Produktqualität bei der Zementherstellung gewährleistet werden,
während gleichzeitig der Energieverbrauch und die Emissionen
reduziert werden können.
ThyssenKrupp techforum 2 | 2007
Umweltfreundliche und energetisch effiziente Weißzementherstellung mit modernster Technologie | 53
%
30
20
10
0
-10
-20
-30
-40
-80
-90
-100
Lesitung
Wärmebedarf
Bild 6 | Erreichte Werte nach erfolgreichem Umbau (vor Umbau alle Werte = 0 %)
CO2
NO2
SO2

54 |
| Beispielsimulation einer vollmobilen Brechanlage in einem Kohletagebau
ThyssenKrupp techforum 2 | 2007

ThyssenKrupp techforum 2 | 2007
Emissionsreduzierung durch Einsatz
kontinuierlicher Tagebautechnik
DR.-ING. VIKTOR RAAZ Projektleiter F&E, Abt. Business Development | ThyssenKrupp Fördertechnik GmbH, Essen
DIPL.-ING. BERGBAU ULRICH MENTGES Manager Vertrieb/Bergbauplanung | ThyssenKrupp Fördertechnik GmbH, Essen
Eine Systemveränderung im weltweiten Tagebau hin zu kontinuierlicher Tagebautechnik
führt nicht nur zu einer Senkung der laufenden Betriebskosten,
sondern – wie in einem laufenden Forschungsvorhaben untersucht – insbesondere
auch zu einem Einsparungspotenzial an CO2-Emissionen. Auf dem
wachsenden Rohstoffmarkt können vor allem neu konzipierte vollmobile
Brechanlagen in Kombination mit innovativer Bandanlagentechnik gegenüber
herkömmlichem Truck-Transport Reduzierungen des CO2-Ausstoßes in Größenordnungen
von bis zu 150.000 Tonnen pro Jahr und pro installiertem System
in der Rohstoffgewinnung erzielen.
| 55

56 | Emissionsreduzierung durch Einsatz kontinuierlicher Tagebautechnik
Hintergrund
Die Technologie von ThyssenKrupp Fördertechnik trägt auch zur Verminderung
klimaschädlicher Gase bei. Um Treibhausgasemissionen
zu vermindern, werden kontinuierlich Produktionsprozesse optimiert.
Die Produktlinie von ThyssenKrupp Fördertechnik verfolgt dieses Ziel
unter anderem mit ihren kontinuierlich arbeitenden Großanlagen und
Bergbaumaschinen.
Im Rahmen eines Forschungsvorhabens untersuchen Ingenieure
des Unternehmens derzeit den positiven Einfluss des Einsatzes kontinuierlicher
Gewinnungstechnik – insbesondere im Vergleich vollmobiler
Brechanlagen zu diskontinuierlich arbeitenden Schwerlastkraftwagen,
den Trucks.
Tagebautechniken
Der Fokus der Untersuchung ist aufgrund der unternehmensspezifischen
Produktlinie in der internationalen kontinuierlichen Tagebautechnik
zu sehen. Hierzu zählen in erster Linie Gewinnungs-, Transport-
und Verkippungsgeräte wie beispielsweise Schaufelradbagger,
versetzbare oder mobile Brechanlagen, Bandanlagen sowie Absetzer.
Grundsätzlich sind Tagebaue über verschiedene Gewinnungstechnologien
erschließbar. Das zum Einsatz kommende System hat entsprechende
Auswirkung auf die Auswahl der Maschinen und damit
auf die spezifischen CO2 -Emissionen.
Diskontinuierliche Systeme
Hier kommen zumeist Hydraulik- und Seillöffelbagger zur Gewinnung
der Rohstoffe zum Einsatz. Der Transport erfolgt mit großen Trucks mit
Zuladungen von bis zu 400 t, die teils den gesamten Transportweg
von der Gewinnungsstelle im Tagebau bis zur kilometerweit entfernten
Außenkippe für Abraummaterial oder die außerhalb des Tagebaus
liegenden Aufbereitungsanlagen für das Wertmineral übernehmen.
Kombination diskontinuierlicher Systeme mit semi-mobilen
Brechanlagen und kontinuierlich arbeitenden Bandanlagen
(’In-Pit Crushing’) I Bild 1 I
Das Lösen und Laden des Materials übernehmen auch hier Hydraulikund
Seillöffelbagger. Der Weitertransport innerhalb des Tagebaus
erfolgt nun ebenfalls mittels Truck-Einsatzes, jedoch nur bis zu einer
in unmittelbarer Nähe stehenden semi-mobilen Brechanlage, die
das Material grob zerkleinert und damit für den sich anschließenden
Bandanlagentransport bereitstellt. Der diskontinuierliche Einsatz von
Trucks wird hierdurch erheblich reduziert. Es erfolgt nur noch ein
sog. Shuttle-Betrieb.
Kontinuierliche Systeme
Lockergesteinstagebaue
Hier kann die Löse- und Ladearbeit aufgrund der sprengstofflosen
Gewinnbarkeit und der geringen Materialdruckfestigkeit in-situ direkt
von einem Schaufelradbagger übernommen werden. Anschließend
erfolgt der Weitertransport – teils mit zwischengeschalteten mobilen
Bandmodulen – per Bandanlage und im Falle von Abraumsystemen
direkt zur Verkippungsstelle unter Einsatz von Absetzern.
Festgesteinstagebaue
Hier wird das Material zumeist durch vorangegangene Sprengtätigkeit
aus dem Gesteinsverband herausgelöst. Hydraulik- oder Seillöffelbagger
übernehmen nun die Ladearbeit des gesprengten Haufwerkes
und laden direkt in den Aufgabetrichter einer vollmobilen Brechanlage.
Diese zerkleinern das noch sehr grobe Material in der ersten Brechstufe
unmittelbar am Gewinnungsort und bereiten es so für den anschließenden
Bandtransport und für nachfolgende Prozesse auf.
Wesentliche Unterschiede der oben genannten Tagebautechniken
liegen bezüglich der CO2-Relevanz im Energieaufwand und in der
Energieversorgung. Kontinuierliche Tagebaugeräte werden fast ausschließlich
elektrisch angetrieben, während diskontinuierliche Tagebaugeräte
überwiegend mit einem Dieselaggregat ausgerüstet sind.
Die charakteristische Lagerstättenform von Locker- und Festgesteinstagebauen
nimmt auch erheblichen Einfluss auf die Transportentfernungen
für das gewonnene Material oder den überlagernden
Abraum und beeinflusst daher auch wesentlich den Energieeinsatz
und damit den resultierenden CO2-Ausstoß. Flache Lockergesteinslagerstätten
erfordern meist Transportwege über große Entfernungen,
jedoch mit geringem Höhenunterschied. Erzlagerstätten hingegen
weiten sich mehr in die ’Teufe’ (bergmännische Bezeichnung für Tiefe)
aus und erfordern daher zu ihrer Gewinnung sehr hohe Teufenunterschiede.
Der Energieeinsatz beim Transport unter Einsatz von Trucks
steigt dabei erheblich.
ThyssenKrupp techforum 2 | 2007

Mit innovativen Techniken, wie dem Einsatz vollmobiler Brechanlagen,
ist in diesen Tagebauen heute der Lade- und Zerkleinerungsvorgang
direkt am Abbauort möglich und somit als ein Ressourcen
schonender Weitertransport mittels Bandanlagen anzusehen.
Konzeptionelle Vorgehensweise zur Ermittlung
der CO2-Emissionen
Das generelle Konzept der CO2-Emissionsermittlung bei ThyssenKrupp
Fördertechnik erlaubt die Abschätzung des CO2-Ausstoßes für typische
Tagebau- und Abbautechnologien im Vergleich zwischen kontinuierlichem
und diskontinuierlichem Maschineneinsatz. Für diesen Zweck
wird der gesamte Abbauvorgang in ’n’ Teilprozesse zerlegt, die jeweils
einen Zerkleinerungs- und/oder Transportvorgang beinhalten.
Eine allgemein gültige Berechnungsformel für den CO2-Ausstoß stellt
sich folgendermaßen dar:
n
ECO2 = ∑Mi · (Ai · fAi · fMi · qi + zi) · fCO2 ,i
i=1
Mi zu transportierende Gesamt-Materialmasse in einem Teilprozess i
Ai kürzester Abstand zwischen dem Massenschwerpunkt und dem
Endpunkt der Transportstrecke im dreidimensionalen Raum
fAi Der Transportlängenfaktor drückt das Verhältnis zwischen
tatsächlicher Transportlänge je nach Abbautechnologie und
dem kürzesten Abstand Ai aus. Der Wert wird empirisch ermittelt
und ist beim Einsatz von Trucks in der Regel deutlich
höher als von Bandanlagen.
fMi Nutzlastfaktor als Verhältnis der gesamt zu transportierenden
Masse zur Gesamt-Materialmasse Mi; Der Wert wird rechnerisch
ermittelt und ist beim Einsatz von Trucks ca. doppelt so hoch
wie bei Bandanlagen.
ThyssenKrupp techforum 2 | 2007
Emissionsreduzierung durch Einsatz kontinuierlicher Tagebautechnik | 57
Bild 1 | Verlauf einer ’In-Pit Crushing’-Bandanlage im Tagebau
qi
zi
Entfernungs- und massenbezogener Energie- bzw. Kraftstoffverbrauch
für Materialtransport, der unter der Berücksichtigung
der Steigung von Transportstrecken, Reibungszahlen bzw. Rollwiderständen,
Wirkungsgraden und Auslastungsfaktoren zu
ermitteln ist
Massenbezogener Energie- bzw. Kraftstoffverbrauch für die
Gewinnung und Zerkleinerung in dem Teilprozess i
fCO2 ,i Umrechnungsfaktor der Energie- bzw. des Kraftstoffverbrauches
in die erzeugte CO2-Masse; Dabei werden die länderspezifischen
Werte für die Erzeugung elektrischer Energie und spezifische
Werte bei der Verbrennung von Kraftstoff verwendet.

58 | Emissionsreduzierung durch Einsatz kontinuierlicher Tagebautechnik
Zur Ermittlung der Reduktion der CO2-Emission beim Einsatz umweltfreundlicher
Technologien wird bezüglich der gesamten Gewinnungskette
oder nur einer Teilstrecke für die jeweiligen Alternativen der
CO2-Ausstoß errechnet und die Differenz gebildet.
Einsatz vollmobiler und semimobiler Brechanlagen
Fallbeispiel 1
In den letzten 2 Jahren wurde in Zusammenarbeit mit einem kasachischen
Kupferproduzenten der Neuaufschluss einer Kupfererzlagerstätte
geplant I Bild 2 I. Hier soll eine semimobile Brechanlagenvariante,
die nur einen kurzen Truck-Shuttle-Betrieb erfordert, mit
einer Stundenleistung von 8.000 t/h zum Einsatz kommen. Dies entspricht
einer jährlichen Förderleistung von etwa 40 Mio t. Bei einer
durchschnittlichen Transportentfernung von 0,75 km und einer Teufe
von bis zu 600 m läge die Einsparung an CO2-Emissionen im Vergleich
zu einem reinen Truck-Transport bei rund 150.000 t/a.
Fallbeispiel 2
Im Kohletagebau Yiminhe, China, ist im Herbst 2007 ein kontinuierliches
Gewinnungs- und Transportsystem für die Kohlegewinnung in
Betrieb gegangen I Bild 3 I. Eingesetzt wird hier eine vollmobile Brechanlage
mit einer Stundenleistung von 3.500 t/h. Dies entspricht einer
jährlichen Förderleistung von etwa 16 Mio t. Bei einer zurzeit im Tagebau
bestehenden durchschnittlichen Transportentfernung der gewonnenen
Kohle von 1,2 km liegt die Einsparung an CO2-Emissionen in
Höhe von etwa 50.000 t/a.
Fallbeispiel 3
In den großen Ölsandlagerstätten Kanadas wird derzeit zumeist mit
semi-mobilen Brechanlagen in Kombination mit Trucks im zuführenden
Shuttle-Betrieb gearbeitet. Eine künftige Alternative wird der Einsatz
vollmobiler Brechanlagen sein, die einen Truckeinsatz gänzlich erübrigen
I Bild 4 I. ThyssenKrupp Fördertechnik unterzeichnete im
Oktober einen ersten Vertrag zur Lieferung eines vollmobilen Brechers
als Ersatz für das bestehende semi-mobile System. Für diese vollmobile
Brechanlage mit einer stündlichen Förderleistung von 7.000 t/h
(ca. 31 Mio t/a) errechnet sich bei einer durchschnittlichen Transportentfernung
der Trucks zum semi-mobilen Brecher von zzt. 2,5 km
eine Einsparung an CO2-Emissionen in Höhe von etwa 95.700 t/a.
Fazit
Die bisher gewonnenen Erkenntnisse deuten auf Reduzierungen des
jährlichen CO2-Ausstoßes hin, die in großen Tagebauen in Größenordnungen
von ca. 50.000 – 150.000 t/a liegen, bezogen auf den
Einsatz eines alternativen kontinuierlichen bzw. eines kombinierten
’In-Pit Crushing’-Systems. Wesentliche Faktoren, die zur CO2-Reduzierung
beitragen, sind geringere Transportentfernungen, Senkung
der insgesamt zu bewegenden Massen und Rollwiderstände sowie
Nutzung elektrischer Energie.
ThyssenKrupp Fördertechnik untersucht derzeit weitere Details der
Einsparpotenziale an CO2-Emissionen durch den weltweiten Einsatz
kontinuierlicher Tagebautechnik.
Bild 2 | 3-D-Planung für den Abbau einer Kupfererzlagerstätte in Kasachstan
ThyssenKrupp techforum 2 | 2007

Bild 3 | Vollmobile Brechanlage für einen Kohletagebau in China
Bild 4 | 3D-Simulation für eine vollmobile Brechanlage im kanadischen Ölsand
ThyssenKrupp techforum 2 | 2007
Emissionsreduzierung durch Einsatz kontinuierlicher Tagebautechnik | 59

60 |
| Luftbild des Werkes 1 von ThyssenKrupp Waupaca
ThyssenKrupp techforum 2 | 2007

Kupolofen-Projekt –
Reaktion auf den MACT-Standard
WILLIAM POWELL (B.S. MET. E.) Direktor Schmelz- und Guss-Technologien | ThyssenKrupp Waupaca, Inc., Waupaca, Wisconsin/USA
JEFFREY LOEFFLER (B.S. CH. E.) Umweltkoordinator | ThyssenKrupp Waupaca, Inc., Waupaca, Wisconsin/USA
Das Werk 1 des Unternehmens ThyssenKrupp Waupaca nahm im Januar 2007 den Betrieb eines neuen
Kupolofensystems zum Schmelzen von Eisen auf. Dieses bedeutende Projekt war die Reaktion auf neue
Umweltbestimmungen für die US-Gussindustrie und bot gleichzeitig die Möglichkeit, die Produktion in
dieser Anlage zu steigern.
Überblick über das Werk 1
Das Werk 1 von ThyssenKrupp Waupaca ist eine Eisengießerei in
Waupaca, Wisconsin/USA. Es beschäftigt 550 Vollzeitarbeiter und ist in
Gebäuden mit einer Gesamtfläche von ca. 17.000 m2 untergebracht.
Jährlich werden ca. 200.000 Tonnen Gussteile an die Kunden geliefert.
Das Werk gilt als Auftragsfertigungsgießerei mit einem breit
gefächerten Kundenstamm u.a. aus der Automobil-, Landwirtschaftsund
Bauindustrie.
Das Werk arbeitet mit einem Kupolofen-Schmelzsystem, um das
geschmolzene Eisen zu erzeugen, das in der Gießerei benötigt wird. Ein
Kupolofen ist ein hoher, senkrecht stehender, feuerfest ausgemauerter
zylindrischer Schacht. Zu Beginn eines Betriebszyklusses wird am
Boden des Ofens ein Koksbett gezündet. Nachdem eine nachhaltige
Verbrennung erreicht ist, erfolgt die Beschickung mit Schrottmaterial
von oben an der so genannten Gicht. Die Hitze des brennenden Kokses
bringt das Schrottmaterial zum Schmelzen. Das geschmolzene Eisen
fließt aus der Schmelzzone des Ofens aus einer Öffnung ab und wird
abgestochen. Während des gesamten Schmelzvorganges, wird oben
kontinuierlich Material (Schrottmetall und Koks) nachfüllt.
Um die Verbrennung aufrechtzuerhalten, wird in der Schmelzzone
mit hoher Geschwindigkeit Luft durch so genannte Winddüsen in den
Ofen geblasen. Die Gebläseluft und die erzeugten Verbrennungsgase
steigen im Kupolofen auf und werden durch einen seitlichen Auslass-
ThyssenKrupp techforum 2 | 2007
kanal in das Emissionsbegrenzungssystem geleitet. Das ursprüngliche
’Emission Control System’ bestand aus einer Verbrennungskammer,
um Gase auf Kohlenstoffbasis zu verbrennen, gefolgt von
einem Nasswäscher und einem Filterkammersystem (Baghouse), die
in einer Parallelanordnung betrieben wurden. Die Verwendung des
Nasswäschers erforderte den Betrieb einer Abwasserkläranlage, von
wo aus das gereinigte Wasser in den Fluss Waupaca geleitet wurde.
Das ursprüngliche Emissionsbegrenzungssystem wies eine geprüfte
Emissionsrate von 0,012 Feinstaubpartikeln pro Trockennormalkubikfuß
(gr/dscf = grains/dry standard cubic foot) auf.
Überblick über den MACT-Standard
Im April 2004 gab die US-Umweltschutzbehörde EPA (Environmental
Protection Agency) eine endgültige Verordnung heraus, um die
Emissionen von giftigen Luftverunreinigungen aus Eisen- und Stahlgießereien
zu reduzieren. Die Verordnung beinhaltet Emissionsgrenzen
für Herstellungsprozesse und Anforderungen zur Prävention von
Luftverunreinigungen, die darauf ausgelegt sind, Lufttoxine zu reduzieren.
Gefährliche Luftverunreinigungen oder Lufttoxine sind Stoffe,
von denen man weiß oder die in Verdacht stehen, dass sie Krebs oder
andere Gesundheitsschäden verursachen. Die Verordnung enthält
auch die Anforderung, dass bestehende Kupolofen-Schmelzsysteme
nicht mehr als 0,006 gr/dscf Feinstaub abgeben dürfen. Die EPA
| 61

62 | Kupolofen-Projekt – Reaktion auf den MACT-Standard
entschied sich, Feinstaub stellvertretend für metallhaltige gefährliche
Luftverunreinigungen zu regulieren.
Als sie den MACT(Maximum Achievable Control Technology)-
Standard entwickelte, richtete sich die EPA nach den Emissionsbegrenzungswerten,
die von den leistungsbesten ähnlichen Quellen
in der gesamten Gussindustrie erzielt wurden. Die neueren Kupolofensysteme
des ThyssenKrupp Waupaca Werkes 5 in Tell City, Indiana
und der Werke 2/3 in Waupaca, Wisconsin, wurden in der anfänglichen
Bewertungsmaßnahme der EPA als diejenigen mit den besten
Leistungen identifiziert. Diese Emissionswerte stellten den Maßstab
dar und wurden als „MACT-Minimum” referenziert. Das MACT-Minimum
für existierende Kupolofen-Gießereien bedeutet eine Begrenzung
auf 0,006 gr/dscf.
Seit April 2007 wird von allen U.S.-Gießereien verlangt, dass sie
die MACT-Emissionsstandards einhalten. Das Werk 1 wäre mit seinem
vorhandenen System nicht in der Lage gewesen, den neuen Standard
einzuhalten und stand vor der Wahl, das vorhandene Kupolofenschmelzsystem
gegen ein modernisiertes System auszutauschen oder
auf das Elektroschmelzverfahren umzusteigen.
Reaktion auf den MACT-Standard
Der Entschluss, nach vorn zu gehen und das vorhandene Kupolofenund
Emissionsbegrenzungssystem im Werk 1 zu modernisieren, war
für ThyssenKrupp Waupaca keine schwere Entscheidung. Die Fähigkeit,
den neuen MACT-Standard einzuhalten, war bereits in drei
separaten Systemen innerhalb der unternehmenseigenen Gießereigruppe
bewiesen worden. Die Basistechnologie und Betriebsparameter
existierten bereits. Die Frage, ob der neue Standard mit vorhandener
Technologie eingehalten werden kann, wurde eindeutig
positiv beantwortet.
Darüber hinaus wurden noch weitere Faktoren berücksichtigt,
die den Erfolg des Projektes sicherstellen sollten. Bereits in einem
frühen Stadium stand fest, dass der größte Teil der Infrastruktur des
vorhandenen Systems wieder verwendet werden kann. Wichtige
Komponenten wie z.B. Eisenbahngleise, Materialbeförderungskräne,
Vorratsbehälter, Waagen und Transportkübel waren an Ort und Stelle
vorhanden und in relativ gutem Betriebszustand, weshalb nur minimale
Störungen der weiterlaufenden Produktion während des Projektes zu
erwarten waren. Darüber hinaus standen Schrott- und andere
Rohmateriallieferanten in etablierten Geschäftsbeziehungen mit
ThyssenKrupp Waupaca. Die Rohmaterial-Lieferkette war auf den
Einsatz in einem Kupolofenschmelzbetrieb eingerichtet und zugeschnitten.
In vielen Fällen belieferten speziell zugeordnete Verarbeitungsanlagen
die Kupolofenschmelzanlage, weshalb bei einem
neuen System keine Veränderungen im Materialfluss oder in der qualitativen
Ausbildung notwendig waren. Ferner sind die Beschäftigten
und das Management gleichermaßen gut geschult und vertraut mit
dem Kupolofenschmelzprozess sowie mit den Wärmerückgewinnungsund
Trocken-Gasreinigungssystemen. Wegen dieser Faktoren lag die
Entscheidung nahe, den Kupolofenschmelzprozess beizubehalten
und ein Baghouse-Emissionsbegrenzungssystem mit Wärmerückgewinnung
zu installieren.
Projektziele und Systemdesign
Das Ziel des Projektes bestand nicht einfach nur darin, ein anderes
MACT-gerechtes Abgasreinigungssystem zu installieren, sondern auch
Verbesserungen an den bisher installierten Systemen vorzunehmen.
Sicherheit steht bei Thyssenkrupp Waupaca stets an erster Stelle,
und hatte auch bei diesem Projekt oberste Priorität. Das Schmelzen
im Kupolofen gilt als das sicherste Schmelzverfahren, dennoch gab
es Verbesserungspotenziale. Die An- und Abtransportwege im Umkreis
des Kupolofens wurden erweitert. Wasserkühlungszonen mit Kühlmänteln
wurden entfernt und durch Kaskadenkühlsysteme ersetzt.
Bei der früheren Bauweise der Wärmetauscher ist die Möglichkeit
eines Brandes stets präsent, weil dabei Thermalöl als Wärmeträger
dient. Bei der neuen Bauweise wurde das leicht brennbare Thermalöl
durch ein inertes Glykol-Wasser-System ersetzt. Glykol hat eine
geringere Wärmekapazität, einen niedrigeren Siedepunkt und eine
geringere Wärmeleitfähigkeit. Der Kompromiss, der für eine höhere
Sicherheit des Wärmeübertragungssystems eingegangen wurde,
bestand in größeren Wärmetauschern, höheren Pumpraten und einem
größeren Fluidspeicherbedarf.
Die Steuerung und Überwachung dieses Systems wurden schon
in einer frühen Phase des Designs berücksichtigt. Die schnelleren
Computersysteme heutiger Generation lassen größere Datenerfassungs-
und Datenhaltungskapazitäten zu. Eine bessere Datenanalyse
ThyssenKrupp techforum 2 | 2007

Abzugskamin
führt zu einem besseren Verständnis der Systemvorgänge, einer verbesserten
operativen Steuerung und potenziell größeren Energiewirkungsgraden
mit entsprechenden Kosteneinsparungen.
| Bild 1 | zeigt eine Computerdarstellung des Kupolofensystems,
das im Werk 1 installiert ist. Der Gasauslassbereich des Kupolofens
stellt ein multi-funktionelles Segment des Ofenschachtes dar, durch
das Schrottmetall in den Kupolofen aufgegeben werden kann und
die heißen Gase aufgefangen und zum Gasreinigungssystem geleitet
werden können. Der Luftstrom muss eine ausreichende Geschwindigkeit
aufweisen, um die Schmutz- und Gasvolumina abzuführen. Diese
darf jedoch nicht zu hoch sein, da sonst leichte Metallteilchen aus
dem Beschickungsmaterial mitgerissen werden würden. Noch ent-
ThyssenKrupp techforum 2 | 2007
Rückgewinnungssystem
Baghouse-Filterkammer
Bild 1 | Hauptkomponenten des neuen Schmelzemissionssystems
Kupolofen-Projekt – Reaktion auf den MACT-Standard | 63
Verbrennungskammer
Grobkornabscheider
Kupolofen
scheidender ist dabei, dass die brennbaren Kupolofengase mit der
eintretenden Luft aufgrund der Bauweise in einem solchen Verhältnis
gemischt werden, dass sich keine explosive Mischung aus Sauerstoff
und Kohlenmonoxidgas aufbauen kann.
Die Kühlwassermäntel des Kupolofens wurden entfernt, um zu
verhindern, dass Wasser in den Kupolofen migrieren kann, wenn
ein Riss im Stahlmantel auftreten sollte. Wenn Wasser diesen hohen
Temperaturen ausgesetzt wird, zerfällt es und bildet potenziell explosives
Wasserstoffgas.
Die zweite Prozesskomponente ist der Grobkornabscheider. Er hat
die Aufgabe, größere und schwerere Partikel aus dem Gasstrom zu
entfernen. Er ist so gebaut, dass die Partikelgeschwindigkeit ohne zu

64 | Kupolofen-Projekt – Reaktion auf den MACT-Standard
starken Druckabfall im System reduziert wird. Der Trichterbereich ist
glatt und hat steile Seitenwände, um eine Brückenbildung der herausfallenden,
sehr heißen körnigen Partikel zu verhindern, wodurch sie über
ein Pendelklappenventil leicht aus dem System austreten können.
Die dritte Hauptkomponente ist der schwerste Teil des Systems –
eine Gas-Verbrennungskammer mit niedrigem Wärmewert. Die Aufgabe
der Verbrennungskammer besteht darin, die hohen Kohlenmonoxidanteile
(CO) im Abgas zu verbrennen und in das weniger
umweltschädliche Kohlendioxid (CO2) zu verwandeln. Bei dem Verbrennungsprozess
werden große Wärmemengen frei, die sich für
eine Rückgewinnung in nachgelagerten Systembereichen eignen.
Die vierte Hauptkomponente ist der Abwärmeverwerter und Gaskühlturm.
Der Gasstrom muss von der Verbrennungstemperatur von
800-850 °C auf eine Temperatur abgekühlt werden, die für einen
Filterkammerbetrieb geeignet ist, d.h. auf 180-225 °C. Diese Temperaturverringerung
ist notwendig, damit die Staubfiltermedien in
den Filterkammern nicht beschädigt werden. Überschüssige Wärme
aus dem Gasstrom des Kupolofens wird über ein geschlossenes
Glykol-Kreislaufsystem abgeleitet, das ähnlich funktioniert wie der
Kühler eines Autos. | Bild 2 | zeigt das Glykolsystem, das sich auf dem
Dach des Werkes 1 befindet.
Die Abgaskühlung erfolgt mit einem primären Luft-Luft-Wärmetauscher.
Diese Luft wird benutzt, um die Verbrennungsprozessluft
zu erhitzen, die in dem Kupolofen zum Schmelzen des Eisenschrottes
dient. Ein Teil der enthaltenen Hitze wird über Luft-Flüssigkeits-Kühlrohre
auf den Flüssig-Glykolkreislauf übertragen. Diese erhitzte
Flüssigkeit enthält Energie in einer Form, die zurückgewonnen und
in einer Vielzahl von Nebenprozessen verwendet werden kann, z.B.
zur Gebäudeheizung oder zur Erzeugung von elektrischem Strom.
Die jetzt abgekühlte Abluft tritt in die letzte Systemkomponente
ein, den Filterkammer-Staubabscheider. Der Gasstrom enthält noch
feine Staubpartikel und muss durch Gewebemedien gefiltert werden,
um die Feinstaubanteile vor der Ableitung in die Atmosphäre zu entfernen.
Eine Filterkammer ist nichts anderes als ein Stahlkasten mit
einer Reihe von Gewebefiltern, die an aufgehängten Stahlkäfigen
befestigt sind und als Rahmen für die Filtermedien dienen.
Die letzten Hauptsystemkomponenten sind der Saugventilator
und der Abluftkamin. Der hohe Kamin ist so gebaut, dass er die
Verteilung der winzigen Restpartikel in die Atmosphäre unterstützt,
die in den gefilterten Abgasen enthalten sind. | Bild 3 | zeigt den
unteren Teil des Abluftkamins.
Ergebnisse
Bild 2 | Glykolkühlsystem für überschüssige Wärme
Die Installation des neuen Kupolofen- und Emissionsbegrenzungssystems
wurde im Januar 2007 abgeschlossen. Die Emissionsprüfung
wurde im Juni 2007 durchgeführt, um die Einhaltung des MACT-
Standards zu verifizieren. In | Bild 4 | werden die Prüfergebnisse vom
Juni mit den Anforderungen des MACT-Standards und den Leistungen
ThyssenKrupp techforum 2 | 2007

Bild 3 | Abluftkamin
des vorherigen Begrenzungssystems verglichen. Die Prüfung zeigt,
dass das neue System mit einer Feinstaubemissionsrate von nur
0,0021 gr/dscf gut arbeitet, denn die MACT-Anforderungen werden
um 65 % unterschritten. Die Emissionen des neuen Systems sind
5,7 Mal niedriger als beim alten System, was eine bedeutende Verbesserung
für die Umwelt bedeutet.
Außerdem wurde durch die Umwandlung des Kupolofen-Emissionsbegrenzungssystems
in ein vollkommen trocken arbeitendes Gewebefiltersystem
der Betrieb der Abwasserkläranlage unnötig: es werden
keine Abwässer mehr in den Fluss Waupaca geleitet. Dies befreit das
Werk von diesbezüglichen Umweltverpflichtungen und reduziert den
Wasserverbrauch der Anlage um mehr als 380.000 Liter pro Tag.
Der Wegfall der Abwasserbehandlung führte darüber hinaus zu Einsparungen
bei den Arbeitsstunden und Wartungskosten.
Das gesamte System hat primär die Funktion, die Verbrennungsgase
zu reinigen, den eingefangenen Staub zu neutralisieren und
den CO-reichen Luftstrom in CO2 umzuwandeln. Bei guter Durchführung
winkt als Belohnung die Energierückgewinnung. Seit vielen
Jahren übersteigt die zur Verfügung gestellte Energie die rückgewinnbare
Energie beim Schmelzbetrieb im Kupolofen. Der nächste Schritt
bestand darin, den sehr hohen Temperaturanteil des Abgasstromes
zurückzugewinnen, um gasgefeuerte Lufterhitzer durch Prozessluft
ersetzen zu können. Die übrigen, weniger heißen Gase erwisen sich
für die Wärmerückgewinnung als unwirtschaftlich. Durch die Entwick-
ThyssenKrupp techforum 2 | 2007
lung besserer Wärmerückgewinnungstürme und praktikabler Flüssig-
Flüssig-Wärmetauscher steht rückgewonnene Wärme für die Raumheizung
von Werken zur Verfügung, die sich in kalten Klimazonen
befinden. Mehrere Anlagen von ThyssenKrupp Waupaca setzen
diese Technologie heute ein. Als weitere Option kommt in Frage, die
Abwärme in elektrische Energie umzuwandeln, wofür die Niedertemperatur-Niederdruck-Turbinensysteme
verwendet werden können, die
gerade auf den Markt kommen. ThyssenKrupp Waupaca führt zurzeit
eine technische Machbarkeitsstudie durch, um die Realisierbarkeit
eines Systems zur Umwandlung von Abwärme in Energie zu prüfen.
Schlussfolgerungen
Kupolofen-Projekt – Reaktion auf den MACT-Standard | 65
Feinstaubemissionen-Vergleich
MACT-Standard 0,006 gr/dscf
Altes System Werk 1 0,012 gr/dscf
Neues System Werk 1 0,0021 gr/dscf
35 % des MACT-Standards, Verbesserung um 570 %
Bild 4 | Prüfergebnisse
ThyssenKrupp Waupaca gilt als Technologieführer bei der Reinigung
von Abgasströmen und der Wärmerückgewinnung in der Gussindustrie.
Frühzeitige Installationen von Systemen auf Basis dieser
Technologien haben das Unternehmen in die Lage versetzt, Verfeinerungen
im Equipment-Design und Verbesserungen der Betriebszuverlässigkeit
voranzutreiben. Die Wärmerückgewinnung hat zu
zahlreichen Kostenreduzierungen geführt, die die Betriebskosten der
Gießerei insgesamt verringern.
Erfolgreiche Installationen, wie z.B. das im Werk 1 abgeschlossene
Projekt, werden ThyssenKrupp Waupaca in die Lage versetzen, in
den nächsten Jahrzehnten auf eine nachhaltig umweltfreundliche
Weise zu wachsen.

66 |
| Windenergieanlagen mit Großwälzlagern von Rothe Erde
ThyssenKrupp techforum 2 | 2007

CO2-freie Energieumwandlung dank
Rothe Erde Großwälzlager
DR.-ING. UWE BREUCKER Hauptabteilungsleiter Qualitätsmanagement, Forschung und Erprobung | Rothe Erde GmbH, Lippstadt
Eine Form der CO2-freien Energieumwandlung liefert die Windtechnik, welche die kinetische Energie des
Windes in elektrische Energie umsetzt. Rothe Erde hat diese Technik bereits im Entwicklungsstadium
begleitet. Das Lieferprogramm für Windkraftanlagen umfasst wichtige Komponenten, wie z.B. Blattlager,
Turmlager und Rotorlager. Technische Lösungen für Forderungen, wie Minimierung der Riffelbildung,
Optimierung des Schmierstoffes und der Abdichtung sowie hoher Korrosionsschutz, sind im FuE-Zentrum
von Rothe Erde erarbeitet worden. Die Dimensionierung der Großwälzlager erfolgt mittels eigens entwickelter
Finite-Elemente Software. Auch in andere Gebiete der CO2-freien Stromerzeugung, wie Gezeitenströmungen
und Solartechnik, haben Großwälzlager von Rothe Erde Einzug gefunden.
Einführung
Das mit menschlichen Sinnen nicht wahrnehmbare Gas CO2 belastet
unsere Umwelt. Dies wird dadurch hervorgerufen, dass ein vermehrter
Anteil dieses Gases in der Atmosphäre eine Erwärmung der Erde
nach sich zieht, was nach Expertenmeinung zu einem Abschmelzen
der Eiskappen an den Polen und damit zu einer Überflutung von
Küstengebieten führt. Darüber hinaus wird die fortschreitende Erwärmung
für das zunehmende Auftreten von Orkanen und Sturmfluten
verantwortlich gemacht.
Die Erdbevölkerung ist von 1960 bis heute auf mehr als das
Doppelte angewachsen. Zu deren Versorgung ist entsprechend viel
Energie notwendig. Ohne ausreichenden Zugriff auf Energie können
wir nicht überleben. Aber hier ist man heutzutage immer noch zum
überwiegenden Teil auf die chemische Energieumwandlung in Form
von Verbrennung fossiler Stoffe angewiesen, was die CO2-Produktion
bekanntermaßen erhöht.
Energie kann man weder erzeugen noch vernichten, sondern
lediglich umwandeln. Eine Form der Energieumwandlung, die ohne
chemische Verbrennungsreaktion abläuft, ist die Umsetzung der
kinetischen Energie des Windes in elektrische Energie. Die Anfänge
ThyssenKrupp techforum 2 | 2007
| 67
der Windtechnik gehen zurück auf die 80er Jahre. Die damals öffentlich
geförderte Windkraftanlage GROWIAN (Große Windkraftanlage)
galt lange Zeit als die weltweit größte. Sie war zwar zum Teil noch
mit Problemen behaftet, jedoch konnte sie auch mit vielen Neuentwicklungen
aufwarten. In den letzten 20 Jahren hat sich diese Technik
vom Garagenhofdasein zu einem stattlichen Industriezweig entwickelt.
Momentan werden in Deutschland 5 % des Stromes durch
Windkraft erzeugt.
Rothe Erde hat die Entwicklung der Windtechnik von Beginn an
mit seinen Produkten begleitet. Der Wind ist variabel, sowohl von
der Stärke als auch von der Richtung her. Hierauf muss sich eine
Windenergieanlage einstellen. Dazu sind folgende konstruktive Maßnahmen
erforderlich:
1. Blattlager ermöglichen die optimale Anströmung der Rotorblätter.
2. Die gesamte Rotorblattebene muss zum Wind hin ausgerichtet
sein. Hierfür finden Turmlager Anwendung.
3. Der Rotorkopf, der den Generator antreibt, muss gelagert werden.
Hierzu werden Rotorlager verwendet.
Daraus ergeben sich in einer Windenergieanlage drei Lagerstellen,
die für Rothe Erde Großwälzlager prädestiniert sind | Bild 1 |.

68 |
Bild 1 | Einsatz von Rothe Erde Großwälzlagern in Windenergieanlagen
Rotorlager
Großwälzlager als dreireihiges
Zylinder-Rollenlager oder
als zweireihiges Kegel-Rollenlager
mit Spezialdichtungen
Turmlager
Großwälzlager als
Kugellager mit
Spezialdichtungen
Blattlager
Großwälzlager
als vorgespanntes
Kugellager mit
Spezialdichtungen
ThyssenKrupp techforum 2 | 2007

Bild 2 | Blattlager im Querschnitt
Blattlager
ThyssenKrupp techforum 2 | 2007
Verzahnung
Dichtung
Innenring
Das Gros der Windenergieanlagen hat eine Nennleistung zwischen
1,5 MW und 2 MW und besitzt 3 Rotorblätter. Der von den Blättern
überstrichene Rotordurchmesser beträgt in diesem Leistungsbereich
ca. 70 m, d.h. ein Blatt hat eine ungefähre Länge von 34 m (exklusive
Nabenradius).
Blattlager gestatten dem Flügelprofil, einen anderen Anstellwinkel
einzunehmen. Das Flügelprofil selbst erfährt eine Anströmung, die
sich vektoriell aus Windgeschwindigkeit und Umfangsgeschwindigkeit
des Blattes addiert. Von ausschlaggebender Bedeutung für den
Wirkungsgrad der Anlage ist, dass diese Anströmung optimal erfolgt.
Hierzu muss das Blattprofil je nach Stärke des Windes relativ zur
Anströmung verstellt werden.
Weiterhin gewährleisten Blattlager, dass bei Stillstand der Anlage
das Flügelprofil in eine auftriebsfreie Position verstellt werden kann. Dies
ist unbedingt notwendig, um Rotoren dieser Größenordnung abzubremsen.
Der Winkel beträgt dann etwa 90° relativ zur Betriebsstellung.
Konstruktiver Aufbau
Die hier eingesetzten Blattlager zeichnen sich dadurch aus, dass sie
eine Kombination aus Axial- und Radialkraft sowie ein Kippmoment
CO2-freie Energieumwandlung dank Rothe Erde Großwälzlager | 69
übertragen können. Im | Bild 2 | erkennt man, dass die beiden
Lagerringe durch Schrauben mit den umgebenden Konstruktionen
verbunden werden. Vom Laufbahnsystem her sind die Lager als so
genannte Doppelvierpunktlager ausgebildet.
Je Ring und Wälzkörperreihe existieren 2 Laufbahnen, die einen
etwas größeren Radius als den der Kugel besitzen. Die Laufbahnen
selbst sind induktiv oberflächengehärtet. Der Mechanismus der Lastübertragung
wird deutlich, wenn man sich das Lager mit dem angeschlossenen
Blatt in 9-Uhr-Position vorstellt | Bild 3 |. Das aus der
Eigenlast des Blattes resultierende Kippmoment wird in der unteren
Hälfte durch die Bahnen A und D „aufliegend“, in der oberen Hälfte
durch die Bahnen B und C „abhebend“, d.h. unter Beanspruchung
der Schraubverbindung übertragen. Die reine Eigenlast des Blattes
wird in der unteren Hälfte über die Bahnen C und D abgesetzt. Beim
Durchlauf des Blattes von der 9-Uhr- in die 3-Uhr-Position kommt
es zu einem Wechsel der lastübertragenden Kontakte jeweils in die
andere Bahn.
Riffelbildung
Bohrungen für Schraubverbindung
Außenring
Fettablaufbohrung
Schmierstoffzufuhr
Durchgangsbohrung
für Lagerverschraubung
Walzkörper
Käfig
Während einer Umdrehung des Rotors werden bei heutigen Anlagen
die Anstellwinkel nicht verstellt. Aber während dieser Umdrehung

70 | CO2-freie Energieumwandlung dank Rothe Erde Großwälzlager
wechselt die Richtung der Lastübertragung von einem Bahnpaar in
das andere, wobei der Wälzkörper in Position bleibt. Diese Art der
Kontaktstellenbeanspruchung erzeugt Riffelbildung oder auch ’false
brinelling’ genannt, eine Art von Reibverschleiß. Riffelbildung ist
nicht grundsätzlich vermeidbar, aber man kann sie eindämmen.
Konstruktiv geschieht dies dadurch, dass die Lager ohne Spiel, d.h.
mit Vorspannung montiert werden.
Schmierung
Eine weitere Maßnahme, die Riffelbildung zu minimieren, liegt in der
sorgfältigen Auswahl des Schmierstoffes. Da keine Wälzbewegung,
die die Kugel mit immer neuem Schmierstoff benetzen würde, vorliegt,
muss ein Fett mit hoher Ölabgabe aus der Seife bei gleichzeitig
gutem Korrosionsschutzverhalten gewählt werden. Die Nachschmierung
mit Frischfett erfolgt über eine Vielzahl von Fettbohrungen. Hierzu
werden in der Regel automatisch arbeitende Dosiereinrichtungen
verwendet. Zwischen den Fettzulaufbohrungen befinden sich Ablaufbohrungen,
durch die verbrauchter und überschüssiger Schmierstoff
in speziell angebrachte Auffangbehälter abgeleitet und während der
nächsten planmäßigen Wartung entsorgt wird. Für eine Bewertung
Blatt Position 9 Uhr
Blatt Position 3 Uhr
Bild 3 | Belastung Blattlager in 3- und 9-Uhr-Position relativ zur Rotornabe
Bild 4 | Prüfaufbau Riffeltest
des Schmierstoffes hat Rothe Erde einen eigenen Riffeltest entwickelt.
Es wird ein genormtes Prüflager mit dem zu untersuchenden Schmierstoff
gefüllt und in einem Pulsator 106 Be- und Entlastungen ausgesetzt.
Gleichzeitig wird durch das Prüflager ein vorgegebener
Volumenstrom an Salzwasser geleitet. Nach Beendigung des Tests
werden der Korrosionszustand des Testlagers sowie die Riffeltiefe
bewertet und mit internen Mindestvorgaben verglichen | Bild 4 |.
Dichtsystem
Zuführung Salzlösung
1 % Salzlösung
Aus der Forderung einer guten Schmierung des Wälzsystems erwächst
eine weitere Forderung: die Abdichtung des Lagerinnenraumes nach
außen. Zwei Situationen sind zu vermeiden: Zum einen der Durchtritt
des Fettes durch die Dichtung nach außen und zum anderen das
Eindringen von Staub und Regenwasser ins Innere. Rothe Erde hat
hierfür eine zweilippige Spaltabdichtung entwickelt | Bild 2 |.
An den Dichtungswerkstoff selbst werden hohe Anforderungen
gestellt. Durch die Lastwechsel während einer Umdrehung atmet der
Spalt zwischen Innen- und Außenring. Diese Spaltweitenänderung ist
in der Regel in einem Temperaturbereich von – 25 °C bis + 50 °C vom
Dichtungswerkstoff elastisch zu überbrücken. Hierbei muss die Wider-
ThyssenKrupp techforum 2 | 2007

standsfähigkeit gegenüber Ozoneinwirkung gegeben sein. Geprüft
werden die Dichtungen in ihrem elastischen Langzeitverhalten in einem
speziell entwickelten Dichtungspulser, der so konzipiert ist, dass er
in einer Klimakammer unterschiedlichste Temperaturbereiche durchfahren
kann | Bild 5 |.
Korrosionsschutz
Die Wälzlagerringe sind aus dem Vergütungswerkstoff 42CrMo4 hergestellt.
Unter normalen Witterungsbedingungen und ganz besonders
in seenahen Landstrichen mit salzhaltiger Luft neigt der Werkstoff zur
Korrosionsbildung. Um die den Umgebungseinflüssen ausgesetzten
Oberflächen zu schützen, wird ein Korrosionsschutz aus Zink mittels
Flammspritzverfahren aufgebracht. Dabei wird eine Zinkelektrode
abgeschmolzen und der flüssige Zinktropfen mit hoher Geschwindigkeit
auf die Ringoberfläche aufgespritzt | Bild 6 |. Eine Vorbehandlung
der Oberfläche durch Strahlen ist dabei ein unabdingbares Muss.
Die Oberflächenbehandlung erfolgt, nachdem die Ringe mechanisch
fertigbearbeitet sind. Dies bedingt, dass nicht zu beschichtende
Oberflächen sorgfältig vor dem Eindringen von Strahlgut zu schützen
sind. Die Schichtdicke beträgt zwischen 100 und 200 µm und erfüllt
ThyssenKrupp techforum 2 | 2007
Käfigjustierung
Abfluss Salzlösung
CO2-freie Energieumwandlung dank Rothe Erde Großwälzlager | 71
Bild 5 | Dichtungspulser
mit zusätzlicher Deckschicht die Anforderungen für schweren Korrosionsschutz
nach DIN EN ISO 12944 Teil 6. Darüber hinaus liefert
das Zink aufgrund seiner Lage in der elektrischen Spannungsreihe
einen kathodischen Schutz bei Ritzverletzung der Schicht.
Dimensionierung
Eine besondere Bedeutung kommt der Dimensionierung des Blattlagers
zu. Die vom Blatt vornehmlich über den Innenring in das Wälzsystem
eingeleiteten Lasten werden dann weiter vom Außenring in
die Nabe abgeleitet. Der Anschlussflansch der Nabe weist aufgrund
seiner Formgebung über seinem Umfang stark variierende Steifigkeiten

72 | CO2-freie Energieumwandlung dank Rothe Erde Großwälzlager
auf. Dies bestimmt zusammen mit der entsprechenden Steifigkeit
des Blattanschlusses rückwirkend wieviel Last jeder Wälzkörper überträgt.
Die Berechnung der Lastverteilung in den Wälzkörperreihen aus
den vorgegebenen Blattlasten ist mit analytischen Methoden nur sehr
bedingt möglich.
Ein zweites, direkt damit zusammenhängendes Dimensionierungsproblem
bildet die Schraubverbindung. Bei abhebender Belastung ist
eine Spaltöffnung zwischen Anschlussflansch und Lagerring denkbar.
| Bild 7 | zeigt die Verhältnisse anhand einer einfachen Flanschanbindung.
Die von der Kugel übertragene Wälzkörperkraft hat eine
exzentrische Komponente zur Schraubenachse. Dadurch wird in die
Schraubverbindung neben einer zentrisch wirkenden Zugkraft zusätzlich
ein Biegemoment als Betriebslast eingetragen. Tritt ein Klaffen in
der vorgespannten Verbindung auf, kommt es zu einer gravierenden
Umverteilung durch Entlasten der verspannten Platten und Zusatzbeanspruchungen
in der Schraube, was entscheidend die Dauerhaltbarkeit
der Verbindung beeinflusst. Um dieser Dimensionierungsaufgabe
gerecht zu werden, hat Rothe Erde eigens ein Finite-Elemente(FE)-
Programmsystem entwickelt, was die Lastverteilung im Lager und
die Beanspruchung der Schraubverbindung unter Berücksichtigung
gegebener Anschlusssteifigkeiten berechnet.
Bild 6 | Zinkflammspritzen
Das System weist den besonderen Vorteil auf, dass die 3 Teilsysteme
äußerer Lageranschluss (hier Rotornabe),
Blattlager und
innerer Lageranschluss (hier Blattanschluss)
als separate FE-Modelle erstellt werden können. Die Anschlusssteifigkeiten
von Blatt und Nabe werden dem Modell der Drehverbindung
überlagert und liefern als Ergebnis die oben genannten Größen.
| Bild 8 | zeigt das FE-Modell eines Nabenanschlusses.
Turmlager
Anschlusskonstruktion
(z.B. Blatt)
Fugen öffnen
Fugen öffnen
Anschlusskonstruktion
(z.B. Nabe)
Bild 7 | FE-Modell Lager-Flanschanschluß
Turmlager gewährleisten, dass die Rotorblattebene stets zum Wind hin
ausgerichtet ist. Sie tragen das gesamte Maschinenhaus mit Generator,
Hilfseinrichtungen und den Rotor. In der Regel ist das Maschinenhaus
kopflastig, die Momentenbelastung auf das Lager wechselt auch
im Betrieb ihr Vorzeichen nicht. Mit den Blattlagern gemein ist, dass
Schwenkbewegungen eher selten auftreten. Wegen des Fehlens der
wechselnden Belastung können als trennendes Element zwischen den
Wälzkörpern Kunststoffzwischenstücke statt Käfige verwendet werden.
Auch ist bei Turmlagern das Phänomen der Riffelbildung nicht zu
beobachten. Hinsichtlich Abdichtung und Korrosionsschutz sind die
Forderungen mit denen von Blattlagern identisch.
M
Schrauben
ThyssenKrupp techforum 2 | 2007

Bild 8 | FE-Modell Nabenanschluß Bild 9 | Prüfstand für Rotorlager
Rotorlager
Bei Rotorlagern ist die Situation eine gänzlich andere. Hier sind
Überrollungen gefragt. Zum Einsatz kommen Rollenlager, die wegen
ihrer Linienberührung im Wälzkontakt bei gleicher Last eine geringere
Flächenpressung als Kugeln haben und daher in der Berechnung eine
wesentlich höhere Lebensdauer aufweisen. Es kommen 3-reihige
Rollendrehverbindungen oder alternativ Kegelrollenlager zur Anwendung.
Mit der ersten Bauform hat Rothe Erde bei der Schildlagerung
von Tunnelbohrmaschinen gute Erfahrungen gemacht.
Die Laufbahnen sind mit Hilfe eines aufwendigen Härteverfahrens
’schlupffrei’ gehärtet. Im Gegensatz dazu verbleibt bei der gewöhnlich
angewandten Vorschubhärtung eine schmale, ungehärtete
Restlücke (Schlupf), die durch Hinterschleifen als nicht tragender
Bereich konstruiert ist.
In der Regel findet eine Ölumlaufschmierung Anwendung. Damit
soll eine hydrodynamische Schmierfilmbildung zwischen den relativ
zueinander bewegten Teilen erzielt werden – mit dem Nebeneffekt
einer guten Wärmeabfuhr aus dem Lager. Um den Verschleiß an
den Käfigen zu minimieren, wird als Werkstoff Bronze eingesetzt.
Als Abdichtung kommen überdimensionale Radial-Wellendichtringe
zur Anwendung.
ThyssenKrupp techforum 2 | 2007
CO2-freie Energieumwandlung dank Rothe Erde Großwälzlager | 73
Rotorlager liegen in einem Durchmesserbereich von ca. 1,6 m bis
2,5 m. Um einen störungsfreien Betrieb dieser Lager im Feld sicherzustellen,
hat Rothe Erde einen Prüfstand konzipiert, der die Prüfung
der Lager in Originalgröße unter realen Belastungszuständen ermöglicht
| Bild 9 |.
Ausblick
Außer der kinetischen Energie des Windes ist auch möglich, die
kinetische Energie des Wassers in Meeres- und Gezeitenströmungen
zu nutzen. Wegen der enorm höheren Dichte des Wassers sind die
Blätter der Rotoren um einige Größenordnungen kleiner. Prototypen
derartiger Anlagen laufen in 20 m Wassertiefe vor der Küste Schottlands
– ausgerüstet mit Rothe Erde Blattlagern. Als Kernpunkt der
Entwicklungsarbeit erscheint hier die Abdichtung des Laufsystems.
In den letzten Jahren hat die Solartechnik als weitere CO2-freie
Energieumwandlung an Bedeutung zugenommen. Auch hier haben
Rothe Erde Großwälzlager Einzug gefunden. Auf ihnen sind große
Tafeln mit Solarzellen montiert, die dem Sonnenstand nachgeführt
werden. Ähnlich wie in den Anfängen der Windtechnik sind diese
Lager heute noch von einfacher Bauart.

74 |
| Transrapid in München (Animation)
ThyssenKrupp techforum 2 | 2007

ThyssenKrupp techforum 2 | 2007
| 75
Transrapid – die Verkehrstechnik
für umweltverträgliche Mobilität
DR.-ING. FRIEDRICH LÖSER Geschäftsführung | ThyssenKrupp Transrapid GmbH, München
DR. RER. NAT. QINGHUA ZHENG Leiter Systemtechnik | ThyssenKrupp Transrapid GmbH, München
Mit der Realisierungsvereinbarung für das Transrapid-Projekt München
Hauptbahnhof/Flughafen zwischen dem Freistaat Bayern, der Deutsche
Bahn AG und dem Konsortium der System- und Bauindustrie wurde
eine wesentliche Voraussetzung geschaffen, dass die Transrapid-
Technologie ihre vorteilhaften Eigenschaften auch in Deutschland unter
Beweis stellen kann. Der Beitrag erläutert die für die Umweltverträglichkeit
wesentlichen Eigenschaften bzgl. Schall-, Schadstoffemission
sowie Energieeffizienz und stellt das Prototypfahrzeug TR09 vor.

76 | Transrapid – die Verkehrstechnik für umweltverträgliche Mobilität
Münchner Transrapid-Projekt
Beim Umweltschutz setzen immer mehr Länder auf Technik aus
Deutschland. Deutsche Solar- und Windenergie-Technologien sind
international führend. Anlagen „Made in Germany“ leisten zum
Beispiel weltweit einen stetig wachsenden Beitrag zur Reduzierung
von Kohlendioxid (CO2). Durch ihren Export wurden in Deutschland
bereits tausende von Arbeitsplätzen geschaffen.
Mit dem Transrapid steht ein innovatives Bahnsystem bereit, das
durch seine hohe Attraktivität noch mehr Autofahrer zum Umsteigen
bringen und damit zur Schonung der Umwelt beitragen kann. Der
bereits mehrjährige Einsatz des Transrapid in Shanghai, China hat
gezeigt, das die bis zu 500 km/h schnelle Magnetschwebebahn konkurrenzlos
leise ist und höchsten Sicherheitsstandards entspricht. Mit
Unterzeichnung der Realisierungsvereinbarung für das Transrapid-
Kohlendioxid (kg) Pkw allgemein
Stickoxid (g)
Schwefeldioxid (g)
Taxi
Airport-Bus
S-Bahn**
Magnetschwebebahn*
Pkw allgemein
Taxi
Airport-Bus
S-Bahn**
Magnetschwebebahn*
Pkw allgemein
Taxi
Airport-Bus
S-Bahn**
2,4
2,0
3,3
2,6
2,5
Magnetschwebebahn* 3,2
4,7
3,8
7,9
7,5
12,6
Projekt München durch den bayerischen Ministerpräsidenten, den
bayerischen Staatsminister, den Vorstandsvorsitzenden der Deutsche
Bahn AG und die Vorstände des Konsortiums der System- und Bauindustrie
am 24. September 2007 wurden die Signale auf Grün gestellt.
Die beteiligten Industrieunternehmen sind davon überzeugt, dass
die Realisierung dieses Projektes auch Schubkraft für den Technologiestandort
Deutschland haben wird. Das Münchner Transrapid-
Projekt wird ein bedeutendes Signal für die Leistungsfähigkeit und
Wettbewerbsfähigkeit deutscher Ingenieure sein.
Mobilität und Umwelt
In nahezu allen großen Industrieländern stellt sich das gleiche Problem:
Die Mobilität unserer Gesellschaft nimmt ständig weiter zu. Bei der
Bewältigung der stetig wachsenden Verkehrsströme dürfen Mensch
31,4
47,5
4,5 Nebenstehende Werte beziehen sich
auf Schadstoffausstoß bei Erzeugung
5,3
des Betriebsstroms.
Auf der Strecke hinterlässt die Magnetbahn
keine Schadstoffe.
Bild 1 | Umweltbilanz im Straßenverkehr (Angaben pro beförderte Person vom Hauptbahnhof zum Flughafen München)
* Bayern-Strom-Mix: geringer Anteil an fossilen
Brennstoffen bei der Stromerzeugung
**bundesweiter Energiemix
ThyssenKrupp techforum 2 | 2007

Bild 2 | Trag- und Führsystem
und Umwelt nicht auf der Strecke bleiben. Dies stellt auch hohe Anforderungen
an den spurgeführten Verkehr, der attraktiver, leistungsfähiger,
wirtschaftlicher und umweltverträglicher werden muss. Das
macht den Transrapid, der diese Eigenschaften in vollem Maße erfüllt,
zum Verkehrssystem für das 21. Jahrhundert I Bild 1 I.
Berührungsfreie Technik
Die Entwicklung und Einführung eines neuen Verkehrssystems wie der
Magnetschnellbahn macht nur Sinn, wenn es auch unter ökologischen
Aspekten Vorteile bietet und insgesamt zu einer Reduzierung der
Umweltbelastung durch den Verkehr beiträgt. Beim Transrapid werden
die Funktionen von Rad und Schiene, das Tragen, Führen, Antreiben
und Bremsen durch ein berührungsfreies Schwebe- und Antriebssystem
realisiert I Bild 2 I. Es beruht auf den sich anziehenden Kräften
zwischen den im Fahrzeug angeordneten Elektromagneten und den
Statorpaketen, die unterhalb des Fahrwegtisches installiert sind.
Dabei ziehen die Tragmagnete das Fahrzeug von unten an den Fahrweg
heran, die Führmagnete halten es seitlich in der Spur. Tragund
Führmagnete sind beidseitig über die gesamte Fahrzeuglänge
angeordnet. Ein hochzuverlässiges elektronisches Regelsystem stellt
sicher, dass das Fahrzeug in einem gleichbleibenden Abstand von
10 mm zu seinem Fahrweg getragen und geführt wird. Das Schwebesystem
wie auch die Bordeinrichtungen werden während der Fahrt
ThyssenKrupp techforum 2 | 2007
Transrapid – die Verkehrstechnik für umweltverträgliche Mobilität | 77
„Antreiben und Bremsen“
berührungsfrei über Lineargeneratoren in den Tragmagneten mit
Energie versorgt.
Während des Aufenthaltes am Bahnsteig wird die Bordenergie
durch eine berührungslose induktive Energieübertragung (Inductive
Power Supply IPS) eingespeist. Daher benötigt der Transrapid weder
Oberleitungen noch Stromabnehmer. Der Antrieb erfolgt mittels eines
im Fahrweg befindlichen synchronen Langstatormotors. Seine Funktionsweise
lässt sich von einem rotierenden Elektromotor ableiten,
dessen Stator aufgeschnitten, gestreckt und an beiden Seiten unter
dem Fahrweg verlegt wird. Der Strom in den Wicklungen erzeugt
somit anstelle eines magnetischen Drehfeldes ein magnetisches
Wanderfeld. Von ihm wird das Fahrzeug durch seine als Erregerteil
wirkenden Tragmagnete berührungsfrei mitgezogen I Bild 3 I.
Schallemission
Tragen
Antrieb
Führen
Die berührungsfreie Technik des Transrapid ermöglicht eine im
Vergleich zu anderen Verkehrssystemen deutlich niedrigere Schallemission.
Bei Geschwindigkeiten um 200 km/h entsteht ein nur durch
die Aerodynamik geprägtes Schallempfinden, das einem Luftzug
gleicht und kaum wahrnehmbar ist. Selbst bei höheren Geschwindigkeiten
bleibt das Geräuschniveau moderat. So ist der Transrapid
bei 300 km/h lediglich halb so laut wie ein Hochgeschwindigkeitszug
und nicht lauter als eine S-Bahn I Bild 4 I. Die aerodynamischen

80
S-Bahn
73
Transrapid
82
ICE
80 km/h 200 km/h 300 km/h 400 km/h
Bild 6 | Schallschutz (Angaben in dB(A) nach Magnetschwebebahn-Lärmschutzverordnung)
ThyssenKrupp techforum 2 | 2007
85
TGV
Bild 4 | Schallemissionen im Vergleich, Vorbeifahrpegel in 25 m Abstand, Angaben in dB(A)
39
80
Transrapid
90
ICE
92
TGV
88,5
Transrapid
Transrapid – die Verkehrstechnik für umweltverträgliche Mobilität | 79
Bild 5 | Wesentliche Schallquellen am Transrapid
44 54
49
44
34 Schallschutz
Messabstand zum Gebäude ca. 46 m
Abschirmwall Abkommenschutzwall
59
Messabstand zum Gebäude ca. 60 m
200 km/h 300 km/h 400 km/h
Bild 7 | Schallschutzmaßnahmen Bild 8 | Spezifischer Energiebedarf, Angaben in Wattstunde (Wh) pro Sitzplatzkilometer
24
ICE
22
Transrapid
46
ICE
34
Transrapid
39
Bei Tempo 250 ist der
Transrapid leiser als
ein Lkw mit 50 km/h.
mit ICE nicht erreichbar
52
Transrapid

80
S-Bahn
73
Transrapid
82
ICE
80 km/h 200 km/h 300 km/h 400 km/h
Bild 6 | Schallschutz (Angaben in dB(A) nach Magnetschwebebahn-Lärmschutzverordnung)
ThyssenKrupp techforum 2 | 2007
85
TGV
Bild 4 | Schallemissionen im Vergleich, Vorbeifahrpegel in 25 m Abstand, Angaben in dB(A)
39
80
Transrapid
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ICE
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TGV
88,5
Transrapid
Transrapid – die Verkehrstechnik für umweltverträgliche Mobilität | 79
Bild 5 | Wesentliche Schallquellen am Transrapid
44 54
49
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34 Schallschutz
Messabstand zum Gebäude ca. 46 m
Abschirmwall Abkommenschutzwall
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Messabstand zum Gebäude ca. 60 m
200 km/h 300 km/h 400 km/h
Bild 7 | Schallschutzmaßnahmen Bild 8 | Spezifischer Energiebedarf, Angaben in Wattstunde (Wh) pro Sitzplatzkilometer
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ICE
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Transrapid
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ICE
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Transrapid
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Bei Tempo 250 ist der
Transrapid leiser als
ein Lkw mit 50 km/h.
mit ICE nicht erreichbar
52
Transrapid

80 | Transrapid – die Verkehrstechnik für umweltverträgliche Mobilität
Beschleunigungsstrecke bis 300 km/h Steigungsfähigkeit
Transrapid
HGV
0 5 10 15 20 km
0 5 10 15 20 km
Vergleich Flächenbedarf [m 2/m]
HGV
2
Bild 9 | Systemvergleich Transrapid/HGV (Hochgeschwindigkeitsverkehr, schienengebunden)
Brandschutz erfüllt und neue Wege beim aktiven und passiven Brandschutz
beschritten.
Eine konsequent angewandte Leichtbauweise sowie eine Schallund
Vibrationsentkopplung des Innenraumes I Bild 11 I tragen sowohl
zum Komfort für den Fahrgast als auch zur Effizienz des Energieeinsatzes
bei.
Fazit und Ausblick
Transrapid
ebenerdig
Transrapid
aufgeständert
Da weltweit umweltfreundliche Lösungen zur Entlastung überfüllter
Straßen, Bahnkorridore und Lufträume überfällig sind, wie ein Blick
auf die Verkehrssituation in vielen großen Ballungsräumen zeigt, stellt
der Transrapid als geräuscharmes, auf kurze Taktzeiten und hohe
Beförderungsdichte ausgelegtes und gleichzeitig effizientes Verkehrs-
12
14
Transrapid
(Fahrwegseitiger Antrieb)
Kurvenradien
3,2 km
1,4 km
HGV
300 km/h
200 km/h
Transrapid
Anstieg (max. 10 %)
HGV
(Fahrzeugseitiger Antrieb) Anstieg (max. 4 %)
1,6 km
0,7 km
system eine sinnvolle und notwendige Ergänzung der vorhandenen
Infrastrukturen dar und konnte dies mit seinem mehrjährigen Einsatz
in Shanghai, China erfolgreich demonstrieren. Mit seinen prinzipbedingt
niedrigen Emissionen und der hohen Energieeffizienz weist
der Transrapid unter dem Aspekt weltweit wachsender Bevölkerungsdichte
und gestiegenen Umweltanforderungen entscheidende strategische
Vorteile auf.
Dabei ist mit dem erstmalig in München zum Einsatz kommenden
Fahrzeugtyp TR09 das Potenzial des Transrapid noch lange nicht
erschöpft. Die rasanten Fortschritte in der Elektronik und vor allem in
den Bereichen neuer Werkstoffe und Verfahren des Leichtbaus kommen
der Transrapid-Technologie unmittelbar zugute, da sie das Schallverhalten
und die Energieeffizienz noch weiter verbessern können.
ThyssenKrupp techforum 2 | 2007

Betreiberanforderungen:
• breite Einstiegstüren, großflächiger Eingangsbereich
• gleicher Türabstand über Fahrzeuglänge, „Mitteleinstieg“
• Fahrkomfort wie im Fernverkehr
(Innenschallpegel, Druckdichtigkeit, Klimatisierung)
Bild 10 | Neue Fahrzeuggeneration TR09
Bild 11 | Innenraum des TR09
ThyssenKrupp techforum 2 | 2007
76 m
Transrapid – die Verkehrstechnik für umweltverträgliche Mobilität | 81
Maßnahmen:
• Einstiegstüren mit lichter Weite 1,3 m
• Wagenkasten 150 mm höher, „doppelter Boden“,
Führung der Klimaluft unterhalb und oberhalb der Türöffnungen
• Schall- und Vibrationsentkopplung des Innenraumes
• Minimierung der Schallreflexion im Innenraum

82 |
| Ein wassergekühlter Vorschubrost fördert den zur Müllverbrennung notwendigen Brennstoff durch die Verbrennungszonen.
ThyssenKrupp techforum 2 | 2007

Wassergekühlter Vorschubrost für
eine rückstandsarme Müllverbrennung
DIPL.-ING. WERNER AUEL Leiter Feuerungsbau | ThyssenKrupp Xervon Energy GmbH, Duisburg
PETER DIEKMANN Öffentlichkeitsarbeit | ThyssenKrupp Services AG, Düsseldorf
Eine effizientere Verbrennung, geringere Emissionen sowie deutlich niedrigere Betriebs- und Instandhaltungskosten
– das garantiert das Feuerungskonzept von ThyssenKrupp Xervon Energy. Herzstück des
Systems ist ein Vorschubrost mit patentierter Wasserkühlung. Er sorgt für einen höheren Durchsatz und
einen besseren Ausbrand. Vor allem aber ermöglicht er das Verbrennen von Brennstoffen mit hohen
Heizwerten. Der energetische Umsatz des Brennstoffes legt die erforderliche Kühlwirkung für den Rostbelag
fest. Die Wasserkühlung nimmt hier bezüglich der Standzeit und der Variabilität der Verbrennungsluftverteilung
einen hohen Stellenwert ein. Die Möglichkeiten zur Einbindung des über den Rostbelag
ausgekoppelten Wärmestromes in den Energieprozess haben einen Einfluss auf den Anlagenwirkungsgrad.
Optimierte Müllverbrennung
Gestiegener Umweltschutz, eine geänderte Abfallwirtschaft und damit
eine völlig veränderte Müllzusammensetzung machen viele Müllverbrennungsanlagen
ineffizient. Was heute in die Verbrennung gelangt,
ist kaum mehr anderweitig verwertbar und hat meist einen hohen
Heizwert. Das führt nicht nur zu höheren Verbrennungstemperaturen,
sondern produziert darüber hinaus andere, enorm korrosive Rauchgasbestandteile,
vor denen die Umwelt, aber auch die Anlage geschützt
werden müssen.
Vorhandene Anlagen hinsichtlich des Verbrennungsablaufes, der
Feuerung und des Dampferzeugers zu optimieren, zählt zu den Kernkompetenzen
von ThyssenKrupp Xervon Energy. Von der Planung
über das detaillierte Engineering bis hin zur Inbetriebnahme bietet
das Duisburger Unternehmen alle erforderlichen Dienstleistungen
aus einer Hand. Eine Modernisierung betrifft die gesamte Kesselkonstruktion
und deren Nebenaggregate. Anlagenkomponenten
wie Kessel-Druckteil, Müllaufgabe, Verbrennungsrost, Entschlacker,
Verbrennungsluftsystem, Hydraulikanlage, E-MSR(Elektro-Mess,
Steuer- und Regelungstechnik)-/ Automatisierungstechnik wie auch
die Feuerungsleistungsregelung müssen angepasst oder gar neu
installiert werden. Herzstück des Optimierungskonzeptes für eine
moderne Müllverbrennung ist der modular aufgebaute, wasserge-
ThyssenKrupp techforum 2 | 2007
| 83
kühlte Vorschubrost. Er fördert schürend den Brennstoff durch die
diversen Verbrennungszonen und bringt die Rückstände zum Schlackeschacht.
Die zur Verbrennung notwendige Primärluft wird für jedes
Rostmodul separat geregelt. Sie wird den einzelnen Verbrennungszonen
zugeführt und dient zusätzlich als Kühlung der thermisch enorm
beanspruchten Rostbeläge.
Während die meisten und vor allem älteren Rostbauarten mit
dieser Luftkühlung auskommen müssen, besitzt die Vorschubrostfeuerung
von ThyssenKrupp Xervon Energy eine zusätzliche Wasserkühlung
mit patentiertem Roststab. Im Inneren jedes einzelnen Roststabes
sind Kühlrohre eingegossen, in denen Kühlwasser zirkuliert.
Abgekühlt wird die relativ geringe Kühlwassermenge in einem
geschlossenen Kreislauf mittels eines Wärmetauschers. Er sorgt für
eine kontrollierte Wärmeabfuhr und führt die gewonnene Abwärme
wieder dem Gesamtprozess zu.
Bereits seit März 2003 ist ThyssenKrupp Xervon Energy exklusiver
Lizenznehmer der sog. ’Koch-Rosttechnologie’ und hat den wassergekühlten
Vorschubrost seitdem in viele Müllverbrennungsanlagen,
u.a. in Bremen, Weener, Stavenhagen und Iserlohn, eingebaut. Im
Jahr 2006 wurden schließlich auch sämtliche Patente und Rechte von
der Koch AG erworben. Des Weiteren erfolgte die Übernahme des
verfahrenstechnischen und konstruktiven Know-hows in Form von

84 | Wassergekühlter Vorschubrost für eine rückstandsarme Müllverbrennung
Referenzen, Zeichnungen und Auslegungsdaten. Mit dem Erwerb
ist ThyssenKrupp Xervon Energy weltweit der einzige Anbieter und
Lieferant dieser erfolgreichen Koch-Rosttechnologie.
Anforderungen an ein modernes Feuerungskonzept
Brennstoffcharakteristik
Unaufbereitete Abfälle aus Haushaltungen, DSD(Duales System
Deutschland)-Rückführungen, Sortierreste und Ersatzbrennstoffe
weisen ein unterschiedliches Abbrennverhalten in der Feuerung auf.
Die charakteristischen Brennstoffparameter führen, aufgrund der
Zusammensetzung des Brennstoffes, zu einer kurzfristig wechselnden
Energiefreisetzung. Das Feuerungssystem muss nunmehr diesen hieraus
resultierenden ungleichen Wärme- und Stofftransport ausgleichen.
Qualitätsmerkmale einer Feuerung
Unter Beachtung dieser Gegebenheiten werden an eine optimale Verbrennung
verschiedene Bedingungen gestellt I Bild 1 I. Die Qualität
der Verbrennungsprodukte sowie eine wirtschaftliche Betriebsweise
stehen als Resultat im Vordergrund. Die Grundvoraussetzung für ein
derartiges Ergebnis liegt in der sorgfältigen Abstimmung der einzelnen
Verfahrensbereiche untereinander mit Bezugnahme auf die konstruktive
Ausgestaltung des Feuerungssystems.
Systeme der Feuerung
Die Anordnung der feuerungsrelevanten Verfahrensbereiche stellt
I Bild 2 I dar. Die eingetragenen Anhaltswerte zur Luftverteilung werden
den jeweiligen Brennstoffbedingungen angepasst. Die Aufgabevorrichtung,
der Verbrennungsrost, die Luftversorgung, die Primär- und
Sekundärluftverteilung bilden mit ihren Stellorganen die maßgeblichen
Funktionsbereiche, die das Regelungskonzept unter Bezugnahme auf
die gemessenen Verbrennungsparameter und Lastvorgaben aufeinander
abstimmt. Der Rost-Entascher fährt im Normalbetrieb mit einer
festen Einstellung.
Positive Auswirkung
auf betriebswirtschaftliche Aspekte
· Lange Reisezeit
· Hohe Verfügbarkeit
Bild 1 | Qualitätsmerkmale einer Feuerung
Feuerungsleistungsregelung
Vorrangiges Ziel der Feuerungsleistungsregelung ist es, unter Einbeziehung
der verfahrenstechnischen Variabilität sowie konstruktiven
Gegebenheiten eine leistungs- und emissionsoptimierte Feuerführung
umzusetzen.
Optimierung des Verbrennungsraumes
Der Geometrie des Feuer-/Nachbrennraumes kommt im Zusammenhang
mit der Sekundärluftzuführung eine hervorzuhebende Bedeutung
zu. Die Güte der Verbrennungsgase orientiert sich einerseits
an einem niedrig zu haltenden Emissionspotenzial und gibt andererseits
die Bedingungen für einen wirtschaftlichen Anlagenbetrieb
vor. Die Reisezeit des Dampferzeugers, d.h. die Zeit, die ein Kessel
betrieben werden kann, ohne dass die Abgastemperatur am Ende
des Kessels oder der rauchgasseitige Druck einen festgelegten Wert
überschreiten, hängt in erster Linie von einer gleichförmigen Verbrennung
ab. Die hohen Anforderungen, die an den Wärme- und
Stofftransport im ersten Strahlungszug gestellt werden, lassen sich
durch den Einsatz von CFD(Computational Fluid Dynamics)-Untersuchungen
umsetzen. Die Simulation betrachtet die Größen Rauchgastemperatur,
Rauchgasgeschwindigkeit, O2- sowie CO-Gehalt im
Verlauf des Rauchgaspfades und lässt Rückschlüsse auf das Betriebsverhalten
zu. I Bild 3 I zeigt anhand eines Beispieles ein typisches
Simulationsergebnis hinsichtlich der Temperaturverteilung. Je nach
Intensität der Sekundärluftzuführung im Vorderwand- oder Rückwandbereich
kann der Strömungsverlauf eindeutig gelenkt werden.
Vergleichende Netzmessungen bestätigen die Aussagen dieser
Rechenmodelle.
Grundlegende Betrachtungen zur Auslegung
Die Auslegung eines Rostsystems richtet sich vorrangig nach den
Eigenschaften des Brennstoffes, die das Zündverhalten und Abbrennverhalten
des Feststoffes bestimmen und somit die Eingangsgrößen
Optimale Verbrennung
Verwertungsgerechte
Reststoffqualität
· Geringer Anteil von Unverbranntem
· Minimierung der Eluierbarkeit
der Rostaschen
Hohe rauchgasseitige
Ausbrandgüte
· Minimierung CO-/C ges-Gehalt
· Minimierung NOX-Gehalt
ThyssenKrupp techforum 2 | 2007

Verbrennungsrost
Primärluftverteilung
70-50 %
Bild 2 | Systeme der Rostfeuerung
Temperatur [°C]
1.500
1.000
500
ThyssenKrupp techforum 2 | 2007
Fall 1a
20 %
30 %
Bild 3 | Temperaturprofile einer CFD-Untersuchung
Aufgabevorrichtung
Anteile der Sekundärluftmenge
30 %
30 %
Fall 1b
25 %
25 %
Wassergekühlter Vorschubrost für eine rückstandsarme Müllverbrennung | 85
25 %
25 %
Fall 1c
30 %
30 %
Nachbrennraumgestaltung
Sekundärluftverteilung 30-50 %
Feuerraumgeometrie
20 %
20 %
Fall 1d
30 %
20 %
Regelungskonzept
Rost-Entascher
V R V R V R V R
V= Vorderwand, R= Rückwand
25 %
25 %

86 | Wassergekühlter Vorschubrost für eine rückstandsarme Müllverbrennung
normaler Betriebsbereich
100 %
60 %
Bruttowärmeleistung
Qmax
Qmin
für die Festlegung der Rostlänge sowie der Brennstoffschichthöhe
darstellen. Darüber hinaus ist die Stückigkeit des Brennstoffes hinsichtlich
des Transportverhaltens sowie der Ausbrandqualität mit in
die Betrachtung einzubeziehen.
Neben diesen brennstoffbedingten Parametern definiert sich die
Rostfläche über Erfahrungswerte bezüglich der mechanischen und
thermischen Rostflächenbelastung. In Verbindung mit den Auslegungsdaten
des Feuerungsleistungsdiagrammes – festgelegt durch Bruttowärmeleistung
und Abfallmassenstrom – errechnet sich die erforderliche
Rostfläche.
Feuerungsleistungsdiagramm
3
8
4
mmin
60 %
normaler Betriebsbereich
100 %
Eine allgemeingültige Darstellung des Feuerungsleistungsdiagrammes
mit den Lastpunkten 1 bis 8 zeigt I Bild 4 I. Je nach Höhe des Heiz-
2
Hu, max
Bild 4 | Standardisiertes Feuerungsleistungsdiagramm
Vorschubrost ’Koch-Rosttechnologie’
Heizwert 6.000 - 30.000 kJ/kg
H u 6.000 - 12.000 kJ/kg
H u 8.000 - 15.000 kJ/kg
Bild 5 | Auswahlkriterien für Rostbelag
5
Abfallmassenstrom
H u 12.000 - 30.000 kJ/kg
Luftgekühlt
Hu, MCR
1
7
Hu, min
6
mmax
MCR= Maximum Continuous Rate
Teilweise wassergekühlt
Wassergekühlt
wertes kennzeichnet die schraffierte Fläche den Einsatzbereich eines
dampfbeheizten Luftvorwärmers bzw. der Zusatzfeuerung zur Einhaltung
der Verbrennungsbedingungen sowie der Mindestrauchgastemperatur
von 850 °C bei einer Verweilzeit größer als 2 Sekunden.
Auswahl des Rostbelages
Die Auswahl des Rostbelages richtet sich nach dem spezifischen
Energiepotenzial des Brennstoffes. I Bild 5 I kennzeichnet die Art
der Roststabkühlung anhand des Heizwertes. Demgemäß kommt
für niederkalorische Abfälle der luftgekühlte und für höherkalorische
Abfälle der wassergekühlte Rostbelag zum Einsatz, der sich durch
eine längere Standzeit gegenüber der reinen Luftkühlung auszeichnet
und höhere thermische Belastungen zulässt. Erst die intensive Wasserkühlung
des Roststabes ermöglicht eine prozessoptimierte Reduzie-
ThyssenKrupp techforum 2 | 2007

ung des Primärluftanteiles einhergehend mit der Senkung des Luftüberschusses
und somit auch hinsichtlich eines günstigeren Einflusses
auf die NOX-Bildung.
Konstruktionsmerkmale des Verbrennungsrostsystems
Abfallaufgabe
Eine Krananlage nimmt im Normalfall den Abfall im Bunker auf und
transportiert ihn zum Aufgabetrichter der Feuerung. Den unteren Teil
des nach oben mittels einer Klappe absperrbaren Aufgabeschachtes
umfasst ein Doppelmantel mit Wasserkühlung als Schutz vor Wärmebelastung,
beispielsweise während des Anfahrvorganges. Ein- oder
mehrteilige Aufgabeschieber dosieren den Abfall geregelt auf den
Verbrennungsrost.
Verbrennungsrost
Den Aufbau des Verbrennungsrostes, ausgeführt als Vorschubrost mit
einer Neigung zur Horizontalen von 10 Grad, stellt I Bild 6 I dar. Außen
liegende hydraulische Antriebe steuern die Vorschub- und Rückhubbewegungen
der beweglichen Roststabreihen gemäß den regelungstechnischen
Anforderungen. Die feststehenden und beweglichen
Roststabreihen liegen im Wechsel hintereinander in einer Rostbahn
und sind jeweils auf separaten Rostrahmen aufgelegt. Der
gleichförmige Bewegungsablauf und die aufgrund der Roststabkonstruktion
lange Hubbewegung im Vorschub führen zu einer ruhigen
Feuerführung. Der Rückhub folgt mit gleicher Geschwindigkeit. Dieser
Bewegungsablauf zeichnet sich im Gegensatz zu einem kurzhubigen
Vorgang durch geringeren Verschleiß aus.
Rostbelegung
Je nach den brennstoffseitigen Gegebenheiten kommen luftgekühlte
Roststäbe, ausgeführt als Wenderoststab oder wassergekühlte Roststäbe
zum Einsatz. Die Art der Belegung kann im Grenzbereich von
Heizwertbändern beide Roststabarten umfassen. Zur Unterstützung
des Ausbrandverhaltens auf der dritten Rostzone wird diese dann
mit herkömmlichen, luftgekühlten Roststäben belegt.
Konzept des wassergekühlten Rostbelages
Wärmeauskopplung
Die Effektivität der Wärmeeinbindung in den Stoffkreislauf, das heißt
die wirtschaftliche Dimensionierung des Wärmetauschers, hängt in
der Hauptsache von der Grädigkeit (Differenz der Wärme abgebenden
bzw. Wärme aufnehmenden Stoffströme) ab. Das Maximierungsbestreben
bezüglich der Kühlwassertemperatur sollte hierbei in Grenzen
gehalten werden. Einerseits vermindern steigende Kühlwassertemperaturen
die Kühlwirkung, bezogen auf die Roststaboberfläche,
ThyssenKrupp techforum 2 | 2007
Wassergekühlter Vorschubrost für eine rückstandsarme Müllverbrennung | 87
und andererseits können temperaturbedingte Ermüdungserscheinungen
beispielsweise in den Verbindungsschläuchen auftreten.
Kühlwasserkreislauf
Die Prinzipschaltung des Kühlkreislaufes ist I Bild 7 I zu entnehmen.
Beginnend mit dem wassergekühlten Rostbelag, den einzelnen Roststabreihen,
den wassergekühlten Dehnungselementen des seitlichen
Rostabschlusses und des Mittelbalkens als Wärme aufnehmende
Komponenten übernimmt ein nachgeschaltetes Wärmetauschersystem
die zweckgerichtete Auskopplung der Wärme. Die Rücklauftemperatur
vom Rostsystem bestimmt hierbei als Regelgröße das Lastverhalten
des Wärmetauschers.
Umwälzpumpen fördern das Kühlwasser in einem geschlossenen
Kreislauf, wobei eine Druckhalteeinrichtung den erforderlichen Ruhedruck
aufprägt. Sicherheitseinrichtungen schützen das Kühlsystem
gegen Drucküberschreitungen. Eine Nachspeis-Einrichtung dient dem
Ausgleich von etwaigen Wasserverlusten.
Komponenten des Kühlsystems
Die Verbindungselemente der beweglichen Roststabreihen, die den
Bewegungsablauf zum feststehenden weiterführenden Rohrleitungssystem
ausgleichen, beeinflussen in besonderem Maße die Betriebssicherheit
des Kühlsystems. Schlauchverbindungen und Komponenten
nach mechanischen Wirkprinzipien stellen eine Methode zur
Bewegungskompensation dar. Die Einsatzmöglichkeit der Komponenten
hängt jedoch stark von der Höhe der Kühlwassertemperatur ab.
Verbindungsschläuche, ausgeführt als Hochdruck-Dampfschläuche,
eignen sich beim Einsatz flüssiger Medien nur bis zu einem Anwendungsbereich
bis 100 °C (Kaltwasserbereich) mit begrenzter Möglichkeit
zur optimalen Wärmeauskopplung. Dichtungselemente in
mechanisch wirkenden Komponenten begrenzen zurzeit die freie
Wahl der Kühlwassertemperatur auf 160 bis 180 °C.
Rostbelag
Das Konstruktionsprinzip des wassergekühlten Roststabes ist aus
I Bild 8 I ersichtlich. Untereinander verbinden U-Rohrstücke die
einzelnen Roststäbe. Der Roststab zeichnet sich durch folgende
Merkmale aus:
Der aus einem hitzebeständigen Guss gefertigte Roststab umfasst
ein eingegossenes Stahlrohr, infolgedessen keine gussgefügebedingten
Undichtigkeiten auftreten können. Den thermischen
Belastungen aus dem Verbrennungsverlauf sowie mechanischen
Belastungen aus dem Bewegungsablauf werden durch die konstruktive
Ausgestaltung des Roststabes Rechnung getragen.

88 | Wassergekühlter Vorschubrost für eine rückstandsarme Müllverbrennung
Rostwagen
Bild 6 | Aufbau des Vorschubrostes
FISA PISA
Lager
Hydraulikzylinder
FISA = Flow Indication Switch Alarm
PISA= Pressure Indication Switch Alarm
TICA= Temperature Indication Control Alarm
TI = Temperature Indication
Bild 7 | Prinzipschema des Kühlkreislaufes
M
Umwälzpumpe
TICA
TI
Wärmetauscher
M M
M = Motor
LSA= Level Switch Alarm
LS = Level Switch
Roststäbe beweglich
Roststäbe feststehend
Druckhaltung
LS+
LSA-
Nachspeisepumpe
ThyssenKrupp techforum 2 | 2007

Bild 8 | Prinzip des wassergekühlten Roststabes
Das eingegossene Stahlrohr garantiert eine definierte Strömung
ohne wirbelbedingte Toträume eckiger Kanäle, die eine Überhitzungsgefährdung
mit sich bringen würden.
Die qualitätsgesicherte Fertigung der Roststäbe sichert im oberflächennahen
Bereich des Stahlrohres eine Materialverbindung
zum Gusskörper, sodass kein Luftringspalt den Wärmeübergang
mindert.
Betriebserfahrungen zum wassergekühlten Rostbelag
Beendigung der Erprobungsphase
Die wassergekühlten Roststäbe auf Basis der ’Koch-Rosttechnologie’
sind seit dem Jahr 1999 großtechnisch in einer thermischen Abfallbehandlungsanlage
im Einsatz. Die Betriebserfahrungen mit den
anfänglich breiten Roststäben führten zu einer Weiterentwicklung mit
reduzierter Roststabbreite. Dieses bewährte Konstruktionskonzept
bildete die Grundlage für den weiteren Einsatz.
Betriebsverhalten
Störfälle traten in der Vergangenheit bei der Verwendung von Schläuchen
in Verbindung mit heißen Kühlsystemen bei Temperaturen über
120 °C auf. Bei diesen Betriebsbedingungen bewiesen die Verbindungselemente
der beweglichen Roststabreihen, ausgeführt als
Hochdruck-Dampfschläuche, keine ausreichende Standzeit. Abhilfe
schaffte hier der Einsatz mechanischer Verbindungselemente, die
einer höheren Temperaturbelastung standhalten.
Fazit
Der Einsatz von wassergekühlten Roststäben garantiert einen uneingeschränkten
Anwendungsbereich zwischen hohen und tiefen Heizwerten
von Hu= 7 bis 20 MJ/kg. Für luftgekühlte Roststäbe liegt der
ThyssenKrupp techforum 2 | 2007
Wassergekühlter Vorschubrost für eine rückstandsarme Müllverbrennung | 89
Anwendungsbereich bei einem mittleren und tiefen Heizwert von
lediglich Hu ≤12 MJ/kg.
Die Betriebserfahrungen entsprechen zum jetzigen Zeitpunkt dem
erwarteten Langzeitverschleißverhalten, sodass der eindeutige Vorteil
der wassergekühlten Roststäbe mit einer Erwartungshaltung an die
Standzeit der Roststäbe von über 32.000 Stunden (bei gestufter
Auswechselungsrate) belegt ist. Die Standzeit luftgekühlter Roststäbe
liegt in einem vergleichbaren Anwendungsfall in der Hauptbrennzone
um zirka 75 % niedriger. Der geringe Verschleiß des wassergekühlten
Rostbelages führt zu einer gleichbleibenden Primärluftverteilung über
die Reisezeit. Somit bestehen die Grundvoraussetzungen für eine
optimierte Fahrweise und lange Reisezeiten.
Aufgrund der konstruktiven Gegebenheiten ergeben sich weitere
Vorteile: Beispielsweise sind keine Schweißarbeiten am Gussroststab
erforderlich, durch die Wasserkühlung und den langen Hub besteht
kaum mechanischer Verschleiß der Roststäbe und es ist nur eine
minimale Anzahl von flexiblen Schlauchverbindungen zur Bewegungskompensation
dank patentierter mechanischer Verbindungselemente
notwendig.
So sorgt nicht allein das außergewöhnliche Kühlprinzip für hohe
Effizienz. Neben der höheren Energieausbeute des eingebrachten
Brennstoffes und der umweltfreundlichen Entsorgung des Müllaufkommens
führt die Verwendung des Rostfeuerungskonzeptes von
ThyssenKrupp Xervon Energy auch zu einer Reduzierung der laufenden
Instandhaltungskosten und einer Verlängerung der Revisionsintervalle
bei gleichzeitig verringerter Ersatzteilvorhaltung.
Die bisherigen Betriebserfahrungen belegen, dass wegen der
gesicherten Standzeit der wassergekühlten Rostbeläge verbunden
mit den verfahrenstechnischen Vorteilen in der Feuerführung ein optimaler
Betrieb der Verbrennungsanlage gegeben ist.

90 |
| Verbausystem in einer neuen Dimension: Beim tiefergehenden Linearverbau werden zwei Einheiten miteinander gekoppelt,
die sich nach dem Einbau in ihrer Wirkungsweise ergänzen.
ThyssenKrupp techforum 2 | 2007

Zukunftweisende bautechnische
Verfahren schonen die Umwelt
DR.-ING. BERND BERGSCHNEIDER Geschäftsführer Vertrieb und Technik | ThyssenKrupp Bauservice GmbH, Hückelhoven
Produkte und Dienstleistungen von Emunds+Staudinger, ein Geschäftsbereich der ThyssenKrupp
Bauservice GmbH, tragen zu rationellen, sicheren und wirtschaftlich erfolgreichen Bauabläufen bei vielen
Tiefbauprojekten im In- und Ausland bei. Das Unternehmen bietet den Baupartnern Lösungen nach Maß.
Hierzu zählen ein baustellengerechter Service, Beratung auf hohem Niveau, eine umfassende Projektbetreuung
und eine fristgerechte Lieferung der für die jeweilige Baumaßnahme ausgewählten Systeme.
Gemeinsam mit mittelständischen Unternehmen und großen Konzernen entwickelt Emunds+Staudinger
überzeugende Konzepte, die sich rechnen. Die eingesetzten Produkte und Verfahren sind auf die jeweiligen
Baumaßnahmen zugeschnitten und sorgen für reibungslose Bauabläufe. Dabei trägt das Unternehmen
auch den hohen Anforderungen des Umweltschutzes Rechnung. Zum Beispiel mit der Entwicklung und
dem Einsatz umweltorientierter Technologien und Verfahren, wie dem Terra-Star Recycler zur Bodenaufbereitung,
mobilen Baustraßensystemen oder dem so genannten tiefergehenden Linearverbau.
Einleitung
Die Begriffe ’Bauen’ und ’Umweltschutz’ sind heute untrennbar miteinander
verbunden. Bauen heißt, unseren Lebensraum zu verändern
und entsprechend den Anforderungen der Gesellschaft zu gestalten.
Gleichgültig, ob es um die Realisierung von Hoch- oder Tiefbauprojekten
geht, ob ein Parkplatz oder ein Weg angelegt wird, Straßen
mit einer neuen Decke versehen, Böschungen oder Lärmschutzwälle
gebaut werden oder im Bereich einer Kanalisation gearbeitet wird:
der Berücksichtigung von Umweltschutzaspekten kommt ein hoher
Stellenwert zu. Dies fängt bei der Wahl der Baustoffe sowie dem Einkauf
und den Einsatz von Geräten an, geht über Lärm-, Wasser- und
Bodenschutz und endet schließlich bei der Entsorgung von Bodenaushub,
Straßenaufbruch und Baustellenabfällen. Auf diese Entwicklung
und die damit verbundenen Anforderungen haben sich ausführende
Unternehmen und Hersteller von Bauprodukten eingestellt.
Neue Technologien, neue Arbeitsverfahren und neue Bauprodukte
haben die Bauprozesse und die Arbeitsabläufe in der Bauwirtschaft
sukzessive verändert. Ein Umstand, dem auch Emunds+Staudinger,
ein Geschäftsbereich der ThyssenKrupp Bauservice GmbH, Rechnung
trägt, u.a. mit der Entwicklung und dem Einsatz umweltorientierter
Technologien und Verfahren. Hierzu gehören beispielsweise der so
ThyssenKrupp techforum 2 | 2007
genannte tiefergehende Linearverbau – ein neues Verbauverfahren,
bei dem zwei Linearverbaueinheiten miteinander gekoppelt werden,
die sich nach dem Einbau in ihrer Wirkungsweise ergänzen I siehe
Titelbild Bericht I – oder der Terra-Star Schaufelseparator zur Bodenaufbereitung
I Bild 1 I. Mit Hilfe des Terra-Star Schaufelseparators
wird der auf der Baustelle entnommene Boden für den direkten
Wiedereinbau aufbereitet und recycelt. Dadurch entstehen deutliche
wirtschaftliche Vorteile, da der entnommene Boden nicht kostenintensiv
abtransportiert und deponiert werden muss. Gleichzeitig
werden wesentliche Umweltaspekte berücksichtigt: Aushub oder
Abfallprodukte werden – wenn möglich – recycelt und wieder verwertet,
anstatt sie zu deponieren.
Sicherheit und Umweltschutz bei Emunds+Staudinger
Emunds+Staudinger sorgt weltweit bei vielen Tiefbaumaßnahmen
für Sicherheit und Umweltschutz. Knapp 60 % des Gesamtumsatzes
werden auf dem europäischen Markt außerhalb Deutschlands und
auf den Märkten in Übersee erwirtschaftet. In Europa ist das Unternehmen
in fast allen Ländern vertreten. Darüber hinaus gibt es
Handelspartner in den USA, in Mittel- und Südamerika, im Nahen
Osten sowie in Asien. Neben Grabenverbausystemen zur Sicherung
| 91

92 |
Bild 1 | Terra-Star Schaufelseparator zur Bodenaufbereitung Bild 2 | Mit Hilfe des Terra-Star Schaufelseparators wird der auf der Baustelle entnommene
Boden für den direkten Wiedereinbau aufbereitet und recycelt. Dadurch entstehen deutliche
wirtschaftliche Vorteile, da der entnommene Boden nicht kostenintensiv abtransportiert
und deponiert werden muss.
von Gräben und Baugruben gegen Einsturz bilden moderne Maschinen
und Geräte, wie zum Beispiel gesteuerte und ungesteuerte Bohrpressgeräte
für den grabenlosen Rohrvortrieb, eine sinnvolle Erweiterung
der Produktpalette. Darüber hinaus tragen ein Recycler für
die Bodenaufbereitung mit Wiedereinbau, eine mobile Baustraße,
ein Sortiment von Rohrgreifern, Rohrzugmaschinen, eine Hydraulikkupplung
für Schnellwechselvorrichtungen sowie weitere Ergänzungsgeräte
zu wirtschaftlichen Abläufen und einem reibungslosen Arbeiten
auf den Baustellen bei. Verbausysteme, Bohrgeräte, Baustraße,
Recycler und Ergänzungsprodukte können je nach Wunsch gekauft
oder gemietet werden. Entscheidend für die Baupartner ist, dass
Emunds+Staudinger kosten- und qualitätsorientierte Lösungen bietet,
bei denen die ständig wachsenden Anforderungen an die Sicherheitstechnik,
die Wirtschaftlichkeit und den Umweltgedanken im Vordergrund
stehen.
Bodenaufbereitung
Wirtschaftlich arbeiten und gleichzeitig umweltschonend zu agieren,
gehört weltweit zu den größten Herausforderungen eines Bauunternehmens.
Mit dem Recycler Terra-Star zur Bodenaufbereitung bei
Kanal- und Straßenbauarbeiten bietet Emunds+Staudinger insbesondere
dem Tiefbauunternehmer ein Produkt für wirtschaftliches
und umweltschonendes Arbeiten vor Ort auf den Baustellen. Weltweit
wird in den meisten Fällen nach wie vor der bei der Herstellung
von Straßen, Gräben und Baugruben entnommene Boden zur Entsorgung
zu oft weit entfernten Deponien transportiert. Unbeladene
Lkw fahren zu den vielfach in den Innenstädten liegenden Baustellen
und transportieren den häufig naturbelassenen und unbelasteten
Aushubboden unnötigerweise zu Deponien, wo das Bodenmaterial
kostenaufwendig entsorgt wird. Ein Rechenbeispiel veranschaulicht
den enormen Aufwand: Für eine repräsentative innerstädtische Tiefbaumaßnahme
– der Graben zur Leitungsverlegung ist etwa 4 m tief,
3 m breit und 100 m lang – fahren rund 120 Lkw mit einem Transportvolumen
von jeweils 10 m3 im ungünstigsten Fall leer zur Baustelle
und voll beladen zur Deponie. Die gleiche Anzahl Lkw ist für die Anlieferung
des neuen Bodens zur Verfüllung der Baugrube erforderlich.
Mit Hilfe des Recyclers Terra-Star kann alternativ der auf der Baustelle
entnommene Boden vor Ort aufbereitet und in der gleichen
Kubatur wieder eingebaut werden I Bild 2 I. Hierzu wird der entnommene
Boden sukzessive mit einem in einem bestimmten Mischungsverhältnis
zugegebenen umweltverträglichen Kalk-Zement-Bindemittel
im Recycler für die Dauer von ca. 30 Sekunden durchmischt.
Die Mengenzugabe an Kalk-Zement-Bindemittel ist abhängig vom
Feuchtigkeitsgehalt des entnommenen Bodens und von der beim
Wiedereinbau gewünschten Festigkeit des aufbereiteten Bodens.
Gröbere Steine, die sich im Aushubmaterial befinden, werden beim
Durchmischen im Recycler in einer Art Sieb zerkleinert, sodass die
in den einschlägigen DIN-Normen für den Bodenwiedereinbau erforderliche
Bodenkörnung gegeben ist. Der aufbereitete Boden wird
entweder direkt wieder eingebaut oder zunächst zwischengelagert.
Diese Form der Bodenaufbereitung ist nicht nur unter Umweltgesichtspunkten
zukunftweisend. Auch unter wirtschaftlichen Aspekten
stellt das Verfahren eine kostengünstige Alternative zum herkömmlichen
Aushub, Abtransport mit Deponierung und Wiedereinbau von
neuem Boden dar. Damit entspricht das Verfahren dem Kreislaufwirtschafts-
und Abfallgesetz (KrW/AbfG) bzgl. der Verpflichtung zur
Abfallvermeidung und schadlosen Abfallverwertung mit der Maßgabe,
Bodenaushub und Abfälle zu recyceln anstatt zu deponieren.
Flexible Baustraßensysteme
Mobile Baustraßensysteme werden im Rahmen des Produktportfolios
von ThyssenKrupp Bauservice zur Befahrung von unwegsamen,
schlammigen oder morastigen Untergründen, vor allen Dingen aber
zur Schonung von Untergründen I Bild 3 I eingesetzt. Auch dieses
Produkt kann gekauft oder gemietet werden. Ein Element des Baustraßensystems
ist 2,34 m lang, 3,80 m breit, 0,16 m hoch und
wiegt rund 860 kg. Es ist für eine Achslast ≥ 12 t ausgelegt. Die einfach
zu transportierenden, leicht zu handhabenden und flexibel ein-
ThyssenKrupp techforum 2 | 2007

setzbaren, äußerst robusten Stahlplatten schützen somit Untergründe
und Oberflächen in Forst-, Wald- und Naturschutzgebieten vor der
direkten Befahrung und damit Zerstörung, zum Beispiel durch Bagger
und andere baustellentypische Fahrzeuge.
Tiefergehender Linearverbau
Der so genannte Linearverbau als spezielle Form des Gleitschieneverbaus
wird weltweit zum Graben- oder Baugrubenverbau bis in Tiefen
von ca. 8 m wirtschaftlich eingesetzt. Ab dieser Tiefe ist die beim
Einbau und Absenken des Verbaus zu überwindende Bodenreibung
zu groß, um Zeit sparend und damit wirtschaftlich arbeiten zu können
(siehe Artikel 'Modifiziertes Linearverbausystem', ThyssenKrupp
techforum, Heft 2/2006).
Heute liegen die Anforderungen im Tiefbau weltweit in immer
tieferen Schächten und Baugruben, häufig auch zur Auskofferung von
tiefer liegenden, kontaminierten Bodenbereichen – zum Beispiel unter
ehemaligen, rückgebauten Tankstellenanlagen oder Industriebranchen.
Hieraus ergeben sich vor allem hinsichtlich einer wirtschaftlichen
Ausführung neue Anforderungen für die ausführenden Unternehmen.
Um auch in diesen größeren Tiefen Verbausysteme wirtschaftlich
einsetzen zu können, hat Emunds+Staudinger den so genannten
tiefergehenden Linearverbau entwickelt. Es handelt sich hierbei um
ein neues Verbauverfahren, bei dem zwei Linearverbaueinheiten
miteinander gekoppelt werden, die sich nach dem Einbau in ihrer
Wirkungsweise ergänzen, wobei das Ziel in der Überwindung der
Bodenreibung beim Einbau besteht. Als Basis des neuen Verfahrens
dient der herkömmliche Linearverbau. Im ersten Arbeitsschritt wird ein
Modul dieses Verbausystems – bestehend aus Schienen, Platten und
Rahmenwagen – eingebaut. Danach wird ein zweites Modul in das
bereits eingebaute Feld eingesetzt, indem mittels neuer Konstruktionen
und Systemkomponenten das zweite Modul als innen laufendes Modul
„auf Kontakt“ an das zuerst eingebrachte äußere Modul angepasst
wird. Auf diese Weise übernehmen die inneren Verbaukomponenten
beim Durchfahren des äußeren Moduls die auftretenden Lasten. Im
Endeinbauzustand ergänzen sich die beiden Verbaumodule, deren
Komponenten über die gleichen Baulängen verfügen und völlig unabhängig
voneinander dem Erddruck entgegen wirken. Die Einsatzgebiete
des neuen Verbauverfahrens sind tiefere Baugruben für
den Kanalbau, Schächte und Pressgruben bis in Tiefen von ca. 10 bis
12 m, je nach Bodenbeschaffenheit.
ThyssenKrupp techforum 2 | 2007
Zukunftweisende bautechnische Verfahren schonen die Umwelt | 93
Bild 3 | Mit dem Einsatz einer Baustraße erfüllt das ausführende Unternehmen
die behördlichen Auflagen in Bezug auf sensible Baugründe.
Fazit
Die Beispiele zeigen, wie Tiefbaumaßnahmen auch unter Einhaltung
umweltschutztechnischer Aspekte wirtschaftlich realisiert werden
können. Gefordert sind hier nicht zuletzt die Anbieter und Hersteller
von Verfahren und Geräten. ThyssenKrupp Bauservice hat dahingehend
die bestehende Produktpalette in ökonomischer und ökologischer
Hinsicht praxisnah weiterentwickelt sowie neue, innovative
Produkte und Sonderlösungen für spezielle Bauaufgaben im Markt
eingeführt und stellt somit den ausführenden Unternehmen das
erforderliche Rüstzeug für eine erfolgreiche und reibungslose Abwicklung
der Baumaßnahme zur Verfügung. Ein weiterer wichtiger Baustein
ist der bereits im Firmennamen verankerte Servicegedanke mit
Gesprächen der Fachberater vor Ort auf der Baustelle. Das bietet eine
hervorragende Möglichkeit für Auftraggeber und ausführende Unternehmen,
baustellenbezogene und technisch ausgereifte Lösungen für
die unterschiedlichen (Kanal-)Bauaufgaben zu entwickeln und damit
vertrieblich äußerst markt- und kundenorientiert zu agieren. International,
mit Schwerpunkten in Europa, den USA sowie dem Nahen
Osten, wird über die in den jeweiligen Ländern ansässigen Vertriebspartner
ebenso servicegerecht gehandelt.

94 | Inhalt Band 9 | 2007
Ausgabe 1 | 2007
Dualphasenstahl mit Korrosionsschutzprimer für die Pkw-Außenhaut | 10
DR. RER. NAT. JÖRG LEWANDOWSKI | ThyssenKrupp Steel
DIPL.-ING. REINHILD HAUBRUCK | ThyssenKrupp Steel
DR. RER. NAT. SILKE STRAUß | ThyssenKrupp Steel
ING. GRAD. HORST OEMKES | ThyssenKrupp Steel
DR.-ING. BERNHARD SCHINKINGER | DOC Dortmunder OberflächenCentrum
DR. RER. NAT. JOSEF SCHNEIDER | ThyssenKrupp Steel
Die T 3 -Profiliertechnik – Voraussetzung für mehr Hohlprofile aus Stahl im Fahrzeug | 14
DR.-ING. THOMAS FLEHMIG | ThyssenKrupp Steel
DIPL.-ING. (FH) MICHAEL BRÜGGENBROCK | ThyssenKrupp Steel
WLADIMIR RITUPER | ThyssenKrupp Steel
LOTHAR HÖMIG | ThyssenKrupp Steel
MOHAMMED TOHFA | ThyssenKrupp Steel
OxyCup ® -Schlacke – ein neues Produkt für anspruchsvolle Märkte | 22
DIPL.-ING. KLAUS KESSELER | ThyssenKrupp Steel
DR. RER. NAT. RONALD ERDMANN | ThyssenKrupp Steel
NIROSTA ® 4521 – ein nichtrostender CrMo-Stahl mit überzeugender Korrosionsbeständigkeit | 30
DR.-ING. JÖRG-FRIEDRICH HOLZHAUSER | ThyssenKrupp Nirosta
DIPL.-ING. HEINZ KOCH | ThyssenKrupp Nirosta
Walzen mikroskopisch feiner Oberflächenstrukturen |34
DIPL.-ING. MATHIAS BÄRWOLF | ThyssenKrupp Nirosta Präzisionsband
DIPL.-ING. MICHAEL ULLRICH | ThyssenKrupp Nirosta Präzisionsband
KAI MASCHMEIER | ThyssenKrupp Nirosta Präzisionsband
HPPO-Verfahren zur koppelproduktfreien Herstellung von Propylenoxid | 38
DIPL.-ING., DIPL.-WIRTSCH.-ING. NORBERT ULLRICH | Uhde
DR.-ING. BÄRBEL KOLBE | Uhde
DR. RER. NAT. NIELS BREDEMEYER | Uhde
Prüfmethoden zur Qualitätssicherung bei der Herstellung von Gussteilen
für die Automobil- und Transportindustrie |44
GENE JOHNSON | ThyssenKrupp Waupaca
TIMOTHY OWENS | ThyssenKrupp Waupaca
CODY RHODES (BS) | ThyssenKrupp Waupaca
RONALD THURSTON | ThyssenKrupp Waupaca
Seite
ThyssenKrupp techforum 2 | 2007

Ganzflächenhärten – ein Verfahren zur vollständigen induktiven Randschichthärtung | 50
der Laufbahnen von Großwälzlagern
DR.-ING. JÖRG ROLLMANN | Rothe Erde
DR.-ING. WILFRIED SPINTIG | Rothe Erde
DIPL.-ING. BERND STAKEMEIER | Rothe Erde
Presta Produktions- und Logistiksystem PPLS – auf dem Weg zum 5-Tage-Lenksystem | 56
DR.-ING. DIPL.-WI.-ING. DANIEL FITZEK, MSC | ThyssenKrupp Presta
PETER SPALT, MBA | ThyssenKrupp Presta
ANJA TISCHLER (MAG. FH) | ThyssenKrupp Presta
DIPL.-ING. (FH) STEFAN OBERHAUSER, MSC | ThyssenKrupp Presta
Neuartige Tragstruktur für Einzelradaufhängungen bei schweren Nutzfahrzeugen | 62
DIPL.-ING. STEFFEN SCHMIDT | ThyssenKrupp Automotive Systems
DR.-ING. DIRK ZIESING | ThyssenKrupp Automotive Systems
TurboTrack – lange Wege werden kürzer |68
DIPL.-ING. MIGUEL GONZÁLEZ ALEMANY I ThyssenKrupp Elevator (ES/PBB)
DR. MONICA SOFFRITTI I ThyssenKrupp Elevator
MARTINA BEHREND I ThyssenKrupp Elevator
THIES EISELE I ThyssenKrupp Elevator
Stufenmodell für die kundenspezifische Bündelung von Werkstoff- und Industriedienstleistungen | 76
JÜRGEN WESTPHAL | ThyssenKrupp Schulte
DIPL.-ING. CHRISTIAN BÖTTGER | ThyssenKrupp Schulte
DIPL.-ING. ANDREAS MITSCHKE | ThyssenKrupp Schulte
MAIK WERNER Vertriebsbeauftragter | ThyssenKrupp Schulte
Verfahren zur NOX-armen Verbrennung von Steinkohle in Kombination | 82
mit einem neuartigen Schmelzzyklon
DIPL.-ING. WERNER AUEL | ThyssenKrupp Xervon Energy
ThyssenKrupp techforum 2 | 2007
Inhalt Band 9 | 2007 | 95
Seite

96 | Inhalt Band 9 | 2007
Ausgabe 2 | 2007
DFI-Oxyfuel-Verfahren zur Energieeinsparung, Leistungs- und | 10
Qualitätssteigerung von Banddurchlaufanlagen
DR.-ING. HERBERT EICHELKRAUT | ThyssenKrupp Steel
DIPL.-ING. HANS-JOACHIM HEILER | ThyssenKrupp Steel
DIPL.-ING. HANS PETER DOMELS | ThyssenKrupp Steel
WERNER HÖGNER | ThyssenKrupp Steel
Entwicklung einer Wissensdatenbank zur Bewertung der Umweltrelevanz | 16
von Produkten, Nebenprodukten und Entfallstoffen
DR. RER. NAT. ALFONS ESSING | ThyssenKrupp Steel
DIPL.-INFORM. AXEL TEICHMANN | ThyssenKrupp Steel
StahlLeichtbau-Chassis SLC – die innovative |20
und kostengünstige Leichtbaulösung für Pkw-Achsträger
DIPL.-ING. PETER SEYFRIED | ThyssenKrupp Steel
DIPL.-ING. ULF SUDOWE | ThyssenKrupp Umformtechnik
Nichtrostende Stähle für Meerwasserentsalzungsanlagen | 24
DR.-ING. GEORG UHLIG | ThyssenKrupp Nirosta
Leistungsstark und umweltfreundlich – |28
Einsatz moderner hochfester Rostfrei-Stähle in der Automobilindustrie
ING. ANDREA BRUNO | ThyssenKrupp Acciai Speciali Terni
Große geschmiedete Wellen für Kraftwerksturbinen |34
DIPL.-ING. STEFANO NERI | Società delle Fucine
DIPL.-ING. DANIELE MARSILI | Società delle Fucine
DR. RER. OEC. GIOVANNI SANSONE | Società delle Fucine
Nickellegierungen für Kraftwerke der Zukunft |40
DR.-ING. JUTTA KLÖWER | ThyssenKrupp VDM
DR. RER. NAT. BODO GEHRMANN | ThyssenKrupp VDM
Umweltfreundliche und energetisch effiziente Weißzementherstellung | 48
mit modernster Technologie
DIPL.-ING. LUIS LAGAR-GARCÍA | Polysius
DR.-ING. DIETMAR SCHULZ | Polysius
Seite
ThyssenKrupp techforum 2 | 2007

ThyssenKrupp techforum 2 | 2007
Inhalt Band 9 | 2007 | 97
Emissionsreduzierung durch Einsatz kontinuierlicher Tagebautechnik | 54
DR.-ING. VIKTOR RAAZ | ThyssenKrupp Fördertechnik
DIPL.-ING. BERGBAU ULRICH MENTGES | ThyssenKrupp Fördertechnik
Kupolofen-Projekt – Reaktion auf den MACT-Standard |60
WILLIAM POWELL (B.S. MET. E.) | ThyssenKrupp Waupaca
JEFFREY LOEFFLER (B.S. CH. E.) | ThyssenKrupp Waupaca
CO2-freie Energieumwandlung dank Rothe Erde Großwälzlager | 66
DR.-ING. UWE BREUCKER | Rothe Erde
Transrapid – die Verkehrstechnik für umweltverträgliche Mobilität | 74
DR.-ING. FRIEDRICH LÖSER | ThyssenKrupp Transrapid
DR. RER. NAT. QINGHUA ZHENG | ThyssenKrupp Transrapid
Wassergekühlter Vorschubrost für eine rückstandsarme Müllverbrennung | 82
DIPL.-ING. WERNER AUEL | ThyssenKrupp Xervon Energy
PETER DIEKMANN | ThyssenKrupp Services
Zukunftweisende bautechnische Verfahren schonen die Umwelt | 90
DR.-ING. BERND BERGSCHNEIDER | ThyssenKrupp Bauservice
Seite