Tätigkeitsbericht /Activity Report 2011/2012 - BFI.de
Tätigkeitsbericht /Activity Report 2011/2012 - BFI.de
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Tätigkeitsbericht /<strong>Activity</strong> <strong>Report</strong><br />
<strong>2011</strong>/<strong>2012</strong><br />
VDEh-Betriebsforschungsinstitut GmbH<br />
Institute for applied research
Impressum/Imprint:<br />
© VDEh-Betriebsforschungsinstitut GmbH · Sohnstr. 65 · 40237 Düsseldorf · Germany<br />
Redaktion/Compilation: M.Sc. Marten Sprecher (verantwortlich / editor-in-chief)<br />
Layout & Satz/Typesetting: Verlag Stahleisen GmbH<br />
Übersetzung/Translation: ExperTeam, Neuss<br />
Druck/Printing: KraftDruck GmbH, Ettlingen<br />
<strong>BFI</strong>®, DynAcid®, DynKonTemp®, DynTemp®, FIDUS® und TopPlan®<br />
sind eingetragene Warenzeichen <strong>de</strong>r VDEh-Betriebsforschungsinstitut GmbH<br />
are Registered Tra<strong>de</strong>marks of VDEh-Betriebsforschungsinstitut GmbH<br />
Bei Abdruck ist die Einwilligung <strong>de</strong>r Redaktion erfor<strong>de</strong>rlich.<br />
Reproduction of any Material is subject to editorial authorization.
Tätigkeitsbericht / <strong>Activity</strong> <strong>Report</strong><br />
<strong>2011</strong>/<strong>2012</strong>
Dr.-Ing. Peter Dahlmann<br />
Sehr geehrte Damen und Herren,<br />
wir freuen uns, Ihnen <strong>de</strong>n Tätigkeitsbericht unseres<br />
VDEh-Betriebsforschungsinstitutes (<strong>BFI</strong>) vorzulegen.<br />
Für nahezu alle Wertschöpfungsketten in Deutschland<br />
dient Stahl als wichtiger Basiswerkstoff. Die<br />
Leistungen <strong>de</strong>s <strong>BFI</strong> führen zu Optimierungen <strong>de</strong>r<br />
Prozesse <strong>de</strong>r Eisen- und Stahlherstellung weiter in<br />
viele Industriezweige getragen und verbessern so<br />
auch die Qualität <strong>de</strong>s Endproduktes. Zu<strong>de</strong>m leisten<br />
Entwicklungen zur Energie- und Ressourceneffizienz<br />
einen wichtigen Beitrag zum Erreichen <strong>de</strong>r<br />
Klimaziele.<br />
Das <strong>BFI</strong> leistet auf diesen Gebieten hervorragen<strong>de</strong><br />
Arbeit und nimmt eine über viele Jahre etablierte<br />
Schlüsselposition in <strong>de</strong>r anwendungsnahen Forschung<br />
für die Mitglie<strong>de</strong>r <strong>de</strong>s Stahlinstitutes VDEh ein.<br />
Um die auch in Zukunft gewährleisten zu können,<br />
hat sich das <strong>BFI</strong> intern neu aufgestellt sowie die<br />
Forschungsinhalte hinterfragt. Ziel dieses Reformprozesses<br />
war es, Kompetenzen zu bün<strong>de</strong>ln, um<br />
schneller und gezielter auf die Herausfor<strong>de</strong>rungen<br />
<strong>de</strong>r Industrie einzugehen, gleichzeitig aber die<br />
langfristige Forschung in gezielten Bereichen weiter<br />
erfolgreich betreiben zu können.<br />
Wir sind zuversichtlich, dass dieser Reformprozess<br />
die Stellung <strong>de</strong>s <strong>BFI</strong> als führen<strong>de</strong>s Forschungsinstitut<br />
weiter festigt und wünschen ihm auf dieser<br />
Mission viel Erfolg.<br />
Dear Rea<strong>de</strong>rs,<br />
We are pleased to present the latest <strong>Activity</strong><br />
<strong>Report</strong> of VDEh-Betriebsforschungsinstitut (<strong>BFI</strong>),<br />
our Institute for Applied Research.<br />
Steel is an important base material for nearly all<br />
the value chains in Germany. Because of this, the<br />
services of the <strong>BFI</strong> achieved in improving iron and<br />
steelmaking processes are carried through to many<br />
other industries where they enhance the quality<br />
of the end products. Furthermore, <strong>de</strong>velopments<br />
in the area of energy and resource efficiency make<br />
major contributions to reaching climate goals.<br />
<strong>BFI</strong> does outstanding work in these fields and<br />
holds a long-established key position in applied<br />
research for the members of Steel Institute VDEh.<br />
To ensure the continued high level of service to<br />
the member works of VDEh, <strong>BFI</strong> has reorganised<br />
its internal structures and taken a close look at<br />
the research project areas. The aim of this change<br />
and reform process was to pool competences and<br />
expertise in or<strong>de</strong>r to respond more quickly and<br />
effectively to the challenges facing the industry<br />
while continuing to conduct successful long-term<br />
research in specific areas.<br />
We are confi<strong>de</strong>nt that this reform process<br />
further consolidates the position of the <strong>BFI</strong> as a<br />
leading research institute and we wish the <strong>BFI</strong> much<br />
success in its en<strong>de</strong>avaours.<br />
2 © VDEh-Betriebsforschungsinstitut GmbH
Inhaltsverzeichnis<br />
Contents<br />
Das <strong>BFI</strong><br />
Das Institut.................................................................................................4<br />
Einbindung in die Forschungslandschaft...........................................6<br />
Europäische Zusammenarbeit...............................................................7<br />
Veranstaltungen und Besuche...............................................................8<br />
The <strong>BFI</strong><br />
The Institute...............................................................................................4<br />
<strong>BFI</strong> in the Landscape of Research........................................................6<br />
European Partnerships.............................................................................7<br />
Events and Meetings................................................................................8<br />
Energie- und Ressourcentechnik<br />
Medien- und Energiewirtschaft......................................................... 10<br />
Ressourcentechnologie......................................................................... 23<br />
Wärme- und Verbrennungstechnik................................................... 34<br />
Energy and Resources<br />
Media and Energy Management........................................................ 10<br />
Resource Technologies......................................................................... 23<br />
Heat and Combustion Technologies................................................. 34<br />
Prozesstechnik<br />
Roheisen- und Stahlerzeugung.......................................................... 49<br />
Strangguss und Umformtechnik........................................................ 61<br />
Oberflächentechnik und Stahlvere<strong>de</strong>lung....................................... 80<br />
Process<br />
Iron- and Steelmaking.......................................................................... 49<br />
Continuous Casting and Forming...................................................... 61<br />
Surface Technology and Finishing..................................................... 80<br />
Mess- und Automatisierungstechnik<br />
Mess- und Prüftechnik.......................................................................105<br />
Prozess- und Anlagenautomatisierung.......................................... 119<br />
Qualitäts- und Informationstechnik...............................................138<br />
Measurement and Automation<br />
Measuring and Testing.......................................................................105<br />
Process and Plant Automation......................................................... 119<br />
Quality and Information Technology..............................................138<br />
Namen, Fakten und Ereignisse<br />
Haushalt und Beschäftigte................................................................149<br />
Verwaltungs- und Fachbeirat...........................................................151<br />
Publikationen........................................................................................152<br />
Forschungsvorhaben...........................................................................156<br />
Patente....................................................................................................162<br />
Kontakt....................................................................................................165<br />
Names, Facts and Events<br />
Turnover and Employees....................................................................149<br />
Administrative and Technical Board...............................................151<br />
Publications...........................................................................................152<br />
Research Projects.................................................................................156<br />
Patents....................................................................................................162<br />
Contact...................................................................................................165<br />
© VDEh-Betriebsforschungsinstitut GmbH<br />
3
Das <strong>BFI</strong> | Das Institut<br />
Das Institut<br />
Das VDEh-Betriebsforschungsinstitut (<strong>BFI</strong>) ist eines<br />
<strong>de</strong>r europaweit führen<strong>de</strong>n Institute für anwendungsnahe<br />
Forschung und Entwicklung auf <strong>de</strong>m<br />
Gebiet <strong>de</strong>r Stahltechnologie. Eingebun<strong>de</strong>n in das<br />
Stahl-Zentrum in Düsseldorf, wo unter einem Dach<br />
das Stahlinstitut VDEh, die Wirtschaftsvereinigung<br />
Stahl sowie weitere Institute zusammenarbeiten,<br />
ist das <strong>BFI</strong> durch seine technischen Arbeiten rund<br />
um <strong>de</strong>n Werkstoff Stahl stark in <strong>de</strong>r Arbeit <strong>de</strong>s<br />
Verban<strong>de</strong>s integriert.<br />
Die I<strong>de</strong>e <strong>de</strong>s <strong>BFI</strong> wur<strong>de</strong> 1968 geboren. Doch erst<br />
1971 wur<strong>de</strong> die Gründung <strong>de</strong>s Betriebsforschungsinstitut<br />
als gemeinnütziges Institut und Tochter<br />
<strong>de</strong>s Vereins <strong>de</strong>utscher Eisenhüttenleute (VDEh)<br />
vollzogen. Heute stellt sein Eigentümer, das Stahlinstitut<br />
VDEh, zusammen mit seinen Mitgliedswerken<br />
<strong>de</strong>n Verwaltungsrat und Fachbeirat.<br />
Das <strong>BFI</strong> finanziert sich zum großen Teil aus eingeworbenen<br />
För<strong>de</strong>rmitteln von EU, Bund und Län<strong>de</strong>rn,<br />
sowie aus <strong>de</strong>m Transfer <strong>de</strong>r Forschungsergebnisse<br />
direkt in die Werke <strong>de</strong>r Stahlindustrie.<br />
Das Tätigkeitsfeld <strong>de</strong>s <strong>BFI</strong> umfasst die komplette<br />
Prozesskette <strong>de</strong>r Stahlherstellung von <strong>de</strong>n Einsatzstoffen<br />
bis zum Endprodukt. Einerseits gilt es dabei<br />
Fragestellungen in <strong>de</strong>n jeweiligen Prozessstufen zu<br />
beantworten, an<strong>de</strong>rerseits gewinnen Lösungen zu<br />
prozessstufenübergreifen<strong>de</strong>n Problemen zunehmend<br />
an Be<strong>de</strong>utung. Um dies zu erreichen müssen entsprechend<br />
<strong>de</strong>r Aufgabenstellung neue Verfahren und<br />
Prozesse entwickelt wer<strong>de</strong>n o<strong>de</strong>r bereits vorhan<strong>de</strong>nes<br />
Wissen auf die Spezifikation <strong>de</strong>r Stahlindustrie<br />
angepasst wer<strong>de</strong>n.<br />
Sowohl für die Grundlagenforschung als auch für<br />
die angewandte Forschung steht im <strong>BFI</strong> eine breite<br />
Ausstattung zur Verfügung. Das Institut verfügt<br />
über zahlreiche Versuchseinrichtungen innerhalb<br />
<strong>de</strong>s Technikums, über Labore um chemische Untersuchungen<br />
eigenständig durchzuführen und über<br />
einen Rechencluster, um Mo<strong>de</strong>lle von industriellen<br />
Anlagen unter verschie<strong>de</strong>nsten Randbedingungen zu<br />
simulieren. Neben <strong>de</strong>n stationären Einrichtungen ist<br />
das <strong>BFI</strong> ebenfalls in <strong>de</strong>r Lage komplexe Messungen<br />
direkt an <strong>de</strong>n Anlagen in <strong>de</strong>n Werken durchzuführen.<br />
Die dazu eigens entwickelten mobilen<br />
Messeinrichtungen sind speziell für <strong>de</strong>n Einsatz<br />
im Betrieb konzipiert wor<strong>de</strong>n und ermöglichen<br />
diese einzigartige Flexibilität.<br />
Insgesamt 13 Fachabteilungen aufgeteilt in drei<br />
Bereiche -Energie- und Ressourcentechnik, Prozess-<br />
The Institute<br />
VDEh-Betriebsforschungsinstitut (<strong>BFI</strong>) is a leading<br />
European provi<strong>de</strong>r of application-focused R&D<br />
in the field of steelmaking technology. <strong>BFI</strong> is<br />
permanently headquartered at, and integrated<br />
into, the Düsseldorf-based Stahl-Zentrum un<strong>de</strong>r<br />
whose roof the Steel Institute VDEh, the German<br />
Steel Fe<strong>de</strong>ration and other institutes cooperate<br />
closely. Through its technical work adressing all<br />
aspects of steelmaking and steel as a material,<br />
<strong>BFI</strong> is closely involved in VDEh‘s activities.<br />
VDEh-Betriebsforschungsinstitut (<strong>BFI</strong>) is a leading<br />
European provi<strong>de</strong>r of application-focused R&D<br />
in the field of steelmaking technology. <strong>BFI</strong> is<br />
permanently headquartered at, and integrated<br />
into, the Düsseldorf-based Stahl-Zentrum un<strong>de</strong>r<br />
whose roof the Steel Institute VDEh, the German<br />
Steel Fe<strong>de</strong>ration and other institutes cooperate<br />
closely. Through its technical work adressing all<br />
aspects of steelmaking and steel as a material,<br />
<strong>BFI</strong> is closely involved in VDEh’s activities.<br />
<strong>BFI</strong>’s field of activities covers the entire steelmaking<br />
process chain, from charge materials to<br />
the final product. While there are tasks to be<br />
solved in the individual process stages, there is<br />
also increasing <strong>de</strong>mand for solutions to throughprocess<br />
problems. Meeting these needs may call for<br />
the <strong>de</strong>velopment of new processes and techniques<br />
or for the adaptation of existing knowledge to<br />
steel industry requirements.<br />
<strong>BFI</strong> has a broad range of equipment, allowing it<br />
to pursue both fundamental and applied research.<br />
The Institute has numerous test facilities in its<br />
technical centre, laboratories where it can conduct<br />
its own in<strong>de</strong>pen<strong>de</strong>nt chemical experiments, and a<br />
computer cluster to simulate mo<strong>de</strong>ls of industrial<br />
plants un<strong>de</strong>r a wi<strong>de</strong> variety of boundary conditions.<br />
In addition to its stationary facilities, <strong>BFI</strong> is<br />
also equipped to perform complex measurements<br />
directly on the plant in the industrial enterprises.<br />
This extraordinary flexibility is enabled by mobile<br />
test equipment <strong>de</strong>signed specifically for use on-site<br />
in production and processing operations.<br />
A total of 13 specialized <strong>de</strong>partments, structured<br />
into three divisions (Energy and Resource Technology,<br />
Process Technology, Measuring Techniques<br />
and Automation), handle the Institute’s work via<br />
4 © VDEh-Betriebsforschungsinstitut GmbH
The <strong>BFI</strong> | The Institute<br />
technik sowie Mess- und Automatisierungstechnikbehan<strong>de</strong>ln<br />
die Fragestellungen kompetenzorientiert.<br />
Dabei steht die Prozessstufen übergreifen<strong>de</strong><br />
Optimierung bezüglich Qualität, Ressourcen- und<br />
Energieeffizienz zur Erhöhung <strong>de</strong>r Wirtschaftlichkeit<br />
im Vor<strong>de</strong>rgrund.<br />
Doch die wertvollste Ressource im <strong>BFI</strong> sind die<br />
Mitarbeiter, welche die Forschungsaktivitäten auf<br />
ihrem Spezialgebiet über viele Jahre begleiten und<br />
vor allem auch prägen. Die Wissenschaftler bearbeiten<br />
am <strong>BFI</strong> Forschungsvorhaben zur Entwicklung<br />
von Verfahren und Systemen zur Prozessverbesserung,<br />
sowie Folgevorhaben um die gewonnenen<br />
Forschungsergebnisse weiter zu vertiefen und in<br />
<strong>de</strong>r industriellen Praxis anzuwen<strong>de</strong>n.<br />
a competence-based approach. Delivering plantwi<strong>de</strong><br />
optimisation in terms of quality, resource<br />
and energy efficiency as well as operational costeffectiveness<br />
is our first and foremost objective.<br />
But the most important resource at <strong>BFI</strong> is our<br />
people, the staff who look after the research<br />
activities in their special fields, accompany the<br />
work over the years, and put their stamp on it.<br />
The scientists at <strong>BFI</strong> conduct research projects to<br />
<strong>de</strong>velop methods and systems that will improve<br />
processes and un<strong>de</strong>rtake follow-up projects to<br />
<strong>de</strong>epen the knowledge gained as a result of prior<br />
research and apply it in industrial practice.<br />
Bild / Figure 1<br />
Organigramm<br />
Organigram<br />
© VDEh-Betriebsforschungsinstitut GmbH<br />
5
Das <strong>BFI</strong> | Einbindung in die Forschungslandschaft<br />
Einbindung in die Forschungslandschaft<br />
Das VDEh-Betriebsforschungsinstitut hat sich zur<br />
Aufgabe gemacht die Prozesse, Anlagen und Abläufe<br />
<strong>de</strong>r Stahlproduktion zu verbessern. Ausgehend vom<br />
grundlegen<strong>de</strong>n Prozessverständnis und theoretischen<br />
Ansätzen wer<strong>de</strong>n die Lösungen in die Praxis <strong>de</strong>r<br />
Eisen- und Stahlindustrie umgesetzt. Hierzu nutzt<br />
das <strong>BFI</strong> seine Kompetenzen auf <strong>de</strong>n Gebieten <strong>de</strong>r<br />
Simulation, Mess- und Automatisierungstechnik,<br />
Prozessführung und Verfahrensentwicklung.<br />
Die Erarbeitung anwendungsnaher Lösungen ist von<br />
unmittelbarem Nutzen für die Eisen- und Stahlindustrie.<br />
Dieser Ansatz ist ein Alleinstellungsmerkmal<br />
<strong>de</strong>s <strong>BFI</strong>, da es eine Brücke zwischen <strong>de</strong>r Grundlagenforschung<br />
und <strong>de</strong>r Eisen- und Stahlindustrie schlägt.<br />
Hierzu müssen bestehen<strong>de</strong> Prozesse verbessert und<br />
Verfahren an die komplexen Anwendungsfälle <strong>de</strong>r<br />
Industrie angepasst wer<strong>de</strong>n. Die industrielle Anwendung<br />
von Forschungsergebnissen ist auf Grund<br />
<strong>de</strong>r betrieblichen Randbedingungen häufig eine<br />
Herausfor<strong>de</strong>rung. Diese Herausfor<strong>de</strong>rung bewältigen<br />
unsere Mitarbeiter mit ihrer langjährigen Erfahrung<br />
und wissenschaftlichen Kompetenz.<br />
<strong>BFI</strong> in the Landscape of Research<br />
VDEh-Betriebsforschungsinstitut is <strong>de</strong>dicated<br />
to the improvement of steelmaking processes,<br />
equipment and workflows. This involves the<br />
practice-oriented realization of problem-solving<br />
approaches <strong>de</strong>veloped in theory, as well as their<br />
integration into actual iron and steelmaking environments.<br />
In accomplishing these goals, <strong>BFI</strong> relies<br />
on its competence in the fields of simulation,<br />
measuring and automation technology, process<br />
management and process <strong>de</strong>velopment.<br />
The creation of application-focused solutions<br />
is of direct benefit to the iron and steelmaking<br />
industry and constitutes a unique <strong>BFI</strong> capability,<br />
creating as it does a bridge between basic research<br />
and real-life industry practice. In or<strong>de</strong>r to ensure<br />
this, existing processes need to be improved and<br />
methods must be adapted to suit complex industrial<br />
application scenarios. Given the boundary<br />
conditions prevailing in practice, the road towards<br />
industrial utilization of research results is often<br />
fraught with challenges. In resolving such issues<br />
our staff can draw on their many years of experience.<br />
Ein weiteres Hauptmerkmal <strong>de</strong>s <strong>BFI</strong> ist die Akquisition<br />
von För<strong>de</strong>rgel<strong>de</strong>rn aus <strong>de</strong>n EU-, Bun<strong>de</strong>s-,<br />
und Län<strong>de</strong>rprogrammen, einhergehend mit <strong>de</strong>r<br />
Projektleitung <strong>de</strong>r Forschungsvorhaben. Mit Hilfe<br />
<strong>de</strong>r genehmigten För<strong>de</strong>rmittel ist es möglich die<br />
Forschungsaufwendungen für die Projektpartner<br />
erheblich zu reduzieren, da sowohl Personalkosten<br />
als auch Anlageninvestitionen teilweise vom<br />
För<strong>de</strong>rmittelgeber getragen wer<strong>de</strong>n.<br />
Um dies alles sicherzustellen, besteht eine enge<br />
Zusammenarbeit mit <strong>de</strong>n Werken <strong>de</strong>r Eisen- und<br />
Stahlindustrie, <strong>de</strong>m Stahlinstitut VDEh, sowie <strong>de</strong>n<br />
För<strong>de</strong>rmittelgebern und Projektträgern.<br />
Des Weiteren ist das <strong>BFI</strong> stark in die Ausbildung<br />
<strong>de</strong>s ingenieurwissenschaftlichen Nachwuchses<br />
integriert. So sind Lehrbeauftrage an <strong>de</strong>r TU Dortmund<br />
- Fakultät Maschinenbau- , an <strong>de</strong>r RWTH<br />
Aachen - Fakultät für Georessourcen und Materialtechnik<br />
-, an <strong>de</strong>r FH Düsseldorf – Fachbereich<br />
Maschinenbau und Verfahrenstechnik - und an <strong>de</strong>r<br />
HTW Aalen - Fakultät Maschinenbau und Werkstofftechnik-<br />
berufen wor<strong>de</strong>n. Zu<strong>de</strong>m bestehen<br />
enge Kooperationen mit <strong>de</strong>r TU Clausthal, <strong>de</strong>r TU<br />
Freiberg, <strong>de</strong>r Universität-Duisburg-Essen, sowie <strong>de</strong>r<br />
FH Köln. Die Anfertigung von Bachelor-, Master und<br />
A key aspect of the <strong>BFI</strong> activity, regardless of<br />
subject matter, is the distribution of public funds<br />
from EU, Fe<strong>de</strong>ral or state-level programmes, in<br />
keeping with its research project manager‘s role.<br />
Support applications or grants can minimize<br />
project costs to a significant extent, and both<br />
labour and investment expenditures can thus<br />
be reduced.<br />
To operate efficiently in this respect, the Institute<br />
cooperates closely with iron and steel industry<br />
enterprises, Steel Institute VDEh, the funding<br />
bodies, and the project sponsors.<br />
<strong>BFI</strong> is also very much involved in the training and<br />
advancement of young engineers. Staff members<br />
have been asked to lecture at the <strong>de</strong>partment of<br />
mechanical engineering of the Technical University<br />
of Dortmund, the <strong>de</strong>partment of georesources<br />
and materials technology of the RWTH Aachen<br />
University, the <strong>de</strong>partment of mechanical and<br />
process engineering of the Düsseldorf University<br />
of Applied Sciences, and at the <strong>de</strong>partment of<br />
mechanical engineering and materials technology<br />
of Aalen University. The Institute also cooperates<br />
closely with the Technical University of Clausthal,<br />
6 © VDEh-Betriebsforschungsinstitut GmbH
The <strong>BFI</strong> | European Partnerships<br />
Doktorarbeiten ist im Rahmen <strong>de</strong>r vom <strong>BFI</strong> bearbeiteten<br />
Projekte möglich und erwünscht. Derzeit<br />
sind mehrere Mitarbeiter als externe Doktoran<strong>de</strong>n<br />
an <strong>de</strong>n Universitäten eingeschrieben.<br />
Herr Prof. Peters und Herr Prof. Sievering haben<br />
Honorarprofessuren an <strong>de</strong>n Universitäten RWTH<br />
Aachen und <strong>de</strong>r TU-Dortmund.<br />
the Technical University of Freiberg, Duisburg-<br />
Essen University, and Cologne University of Applied<br />
Sciences. Un<strong>de</strong>rgraduates and postgraduates are<br />
welcome to work on their dissertations and theses<br />
for bachelor’s, master’s or doctoral <strong>de</strong>grees within<br />
the scope of projects handled by <strong>BFI</strong>. Currently,<br />
a number of staff members are also enrolled at<br />
the universities as external doctoral candidates.<br />
Harald Peters and Ralph Sievering have honorary<br />
professorships at the universities RWTH Aachen<br />
and TU Dortmund.<br />
Europäische Zusammenarbeit<br />
Die Eisen- und Stahlindustrie zählt zu <strong>de</strong>n energieund<br />
ressourcenintensiven Industriezweigen. Die<br />
daraus resultieren<strong>de</strong>n Umweltfragen können<br />
im 21. Jahrhun<strong>de</strong>rt nicht mehr national beantwortet<br />
wer<strong>de</strong>n, son<strong>de</strong>rn müssen auf europäischer<br />
Ebene diskutiert wer<strong>de</strong>n. Gleichzeitig gilt es die<br />
Forschungskompetenzen europaweit zu bün<strong>de</strong>ln um<br />
Fragestellungen im Sinne aller gesellschaftlichen<br />
Gruppen und Län<strong>de</strong>r zu beantworten.<br />
Auch für <strong>de</strong>n Werkstoff Stahl be<strong>de</strong>utet dies,<br />
dass die Be<strong>de</strong>utung <strong>de</strong>r europäischen Stahlverbän<strong>de</strong><br />
ESTEP (European Technology Platform) und<br />
EUROFER (European Steel Association) in Zukunft<br />
weiter zunehmen wird. Aber auch vor allem das<br />
Forschungsaktivitäten auf europäischer Ebene<br />
weiterhin an Be<strong>de</strong>utung gewinnen, um die Wettbewerbsfähigkeit<br />
<strong>de</strong>r europäischen Stahlindustrie,<br />
zu stärken.<br />
Das <strong>BFI</strong> bil<strong>de</strong>t aus diesem Grund unter <strong>de</strong>r<br />
Schirmherrschaft <strong>de</strong>s Forschungssausschusses<br />
von EUROFER und mit <strong>de</strong>r Unterstützung <strong>de</strong>s<br />
Führungsgremiums von ESTEP ein Netzwerk<br />
zusammen mit <strong>de</strong>n führen<strong>de</strong>n europäischen<br />
Stahl-Forschungsinstituten – Research Initiative<br />
for European Steel (RIES). Hierzu gehören neben<br />
<strong>de</strong>m VDEh-Betriebsforschungsinstitut mit Sitz in<br />
Düsseldorf, Centre for Research in Metallurgy in<br />
Lüttich, Centro Sviluppo Materiali S.p.A. in Rom<br />
und Swerea Mefos in Lulea (Schwe<strong>de</strong>n).<br />
Das Netzwerk hat zum Ziel, durch gemeinsame<br />
Forschungs- und Entwicklungsarbeit die Wettbewerbsfähigkeit<br />
<strong>de</strong>r europäischen Stahlindustrie zu<br />
stärken. In institutsübergreifen<strong>de</strong>n Arbeitsgruppen<br />
wer<strong>de</strong>n zukünftige Forschungsthemen i<strong>de</strong>ntifiziert<br />
und eine gemeinsame Vorgehensweise zur<br />
öffentlichen För<strong>de</strong>rung dieser Themen diskutiert.<br />
European Partnerships<br />
The iron and steel industry is one of the most<br />
energy- and resource-intensive sectors of the<br />
economy. The resulting environmental issues<br />
can no longer be solved locally or nationally in<br />
the 21st century but must be addressed at the<br />
European level. Another important aspect is the<br />
pooling of research capabilities across Europe in<br />
or<strong>de</strong>r to find answers that will satisfy all involved<br />
groups of societey and countries.<br />
For steel as a material, this means that the<br />
European steel associations ESTEP (European<br />
Technology Platform) and EUROFER (European<br />
Steel Association) will assume ever-increasing<br />
importance in the future. Above all, it will mean<br />
that the significance of joint European research<br />
activities will continue to grow as a means of<br />
strengthening the competitiveness of the European<br />
steel industry.<br />
For this reason, <strong>BFI</strong> has joined forces with<br />
leading European steel research institutes to<br />
form a network known as the Research Initiative<br />
for European Steel (RIES) un<strong>de</strong>r the patronage<br />
of the Research Committee of EUROFER and<br />
with the support of the steering committee of<br />
ESTEP. Members of RIES are the <strong>BFI</strong> in Düsseldorf,<br />
Centre for Research in Metallurgy in Liege, Centro<br />
Sviluppo Materiali S.p.A. in Rome and Swerea<br />
Mefos in Lulea (Swe<strong>de</strong>n).<br />
The aim of the network is to strengthen the<br />
competitiveness of the European steel industry<br />
by conducting joint research and <strong>de</strong>velopment<br />
work. In cross-institute working groups, topics<br />
for future research are i<strong>de</strong>ntified and a common<br />
approach discussed for obtaining public funding<br />
for such research projects. At the same time,<br />
© VDEh-Betriebsforschungsinstitut GmbH<br />
7
Das <strong>BFI</strong> | Veranstaltungen und Besuche<br />
Gleichzeitig wird im Netzwerk eine koordinierte<br />
Strategie zu Forschungsthemen gegenüber <strong>de</strong>n<br />
europäischen Gremien verfolgt.<br />
So ist es bereits gelungen an <strong>de</strong>n Rahmenbedingungen<br />
für das nächste europäische Forschungsprogramm<br />
(Horizon 2020) o<strong>de</strong>r am rechtlichen<br />
Rahmen für <strong>de</strong>n europäischen Forschungsraum<br />
(ERA) mitzuwirken um auch zukünftig eine energieund<br />
ressourceneffiziente Stahlherstellung in Europa<br />
zu ermöglichen.<br />
Ebenfalls konnte RIES an <strong>de</strong>r Roadmap zu SPIRE<br />
(Sustainable Process Industry - European Industrial<br />
Competitiveness through Resource and Energy Efficiency),<br />
einem PPP (Private Public Partnership) <strong>de</strong>s<br />
8.Forschungsrahmenprogrammes <strong>de</strong>r EU (Horizon<br />
2020), mitwirken.<br />
Seine Akzeptanz fin<strong>de</strong>t das Netzwerk in <strong>de</strong>r Unabhängigkeit<br />
seiner Mitgliedsinstitute, <strong>de</strong>nn damit<br />
ist sichergestellt, dass die Interessen zukunftsorientierter<br />
Forschung ausgearbeitet wer<strong>de</strong>n und<br />
in die zukünftigen För<strong>de</strong>rprogramme einfließen. So<br />
kann auch in Zukunft Spitzenforschung rundum<br />
<strong>de</strong>n Werkstoff Stahl in Europa gewährleistet wer<strong>de</strong>n.<br />
Gleichzeitig wird das Votum <strong>de</strong>r unabhängigen<br />
privatwirtschaftlichen Forschungsinstitute in die<br />
Gremien <strong>de</strong>r Europäischen Kommission, EUROFER,<br />
ESTEP und RFCS (Research Fund for Coal and Steel)<br />
the network pursues a coordinated strategy on<br />
research topics in its <strong>de</strong>alings with European<br />
bodies.<br />
It has thus already succee<strong>de</strong>d in participating in<br />
the process for <strong>de</strong>fining the terms of reference for<br />
the next European research programme (Horizon<br />
2020) and the legal framework for the European<br />
Research Area (ERA) in or<strong>de</strong>r to establish the<br />
necessary conditions for energy and resource<br />
efficient steel production in Europe in the future.<br />
RIES has also contributed to SPIRE (Sustainable<br />
Process Industry – European Industrial Competitiveness<br />
through Resource and Energy Efficiency),<br />
a PPP (Private Public Partnership) of the 8th EU<br />
Framework Programme.<br />
The network is broadly accepted because of its<br />
in<strong>de</strong>pen<strong>de</strong>nt nature, as this provi<strong>de</strong>s an assurance<br />
that the interests of forward-looking research<br />
will be addressed objectively and will be channelled<br />
into future funding programmes. This<br />
will help to ensure that world-class research on<br />
all aspects of steel will be conducted in Europe<br />
in the future as well.<br />
At the same time, the opinions formed are voiced<br />
in the committees of the European Commission,<br />
EUROFER, ESTEP, and RFCS (Research Fund for<br />
Coal and Steel), in which <strong>BFI</strong> staff are represented.<br />
Veranstaltungen und Besuche<br />
Seit <strong>de</strong>m Jahr 2004 gibt es am <strong>BFI</strong> die Tradition<br />
<strong>de</strong>r Kolloquien mit <strong>de</strong>m das Institut über aktuelle<br />
Forschungsthemen und –ergebnisse informiert.<br />
Ziel ist es <strong>de</strong>n Austausch zwischen <strong>de</strong>r Stahlindustrie<br />
und <strong>de</strong>r Forschung weiter zu vertiefen.<br />
Im Juni <strong>2012</strong> fand das <strong>BFI</strong>-Kolloquium mit <strong>de</strong>m<br />
Schwerpunkt Roheisen- und Stahlerzeugung mit<br />
über 100 Besuchern großen Anklang.<br />
Des Weiteren war das <strong>BFI</strong> im Jahr <strong>2011</strong> bei <strong>de</strong>r<br />
METEC und <strong>de</strong>r InSteelCon mit 13 Fachvorträgen,<br />
sowie 6 Sitzungsvorsitzen<strong>de</strong>n vertreten.<br />
Hervorzuheben ist zu<strong>de</strong>m ein Workshop mit über<br />
100 Besuchern zum Thema „Intelligent Manufacturing“,<br />
welcher in Kooperation zwischen zusammen<br />
mit ESTEP und ArcelorMittal und <strong>de</strong>m <strong>BFI</strong> organisiert<br />
wor<strong>de</strong>n ist.<br />
Events and Meetings<br />
<strong>BFI</strong> established its <strong>BFI</strong> Colloquium in 2004. At this<br />
annual event, the Institute informs par-ticipants<br />
about research topics and results in or<strong>de</strong>r to <strong>de</strong>epen<br />
the interaction between the steel industry and<br />
the research world still further. In June <strong>2012</strong> the<br />
<strong>BFI</strong> Colloquium cov-ered the theme “Iron- and<br />
Steelmaking” and was very well received by the<br />
more than 100 atten<strong>de</strong>es.<br />
In <strong>2011</strong>, <strong>BFI</strong> participated in METEC and<br />
InSteelCon, presenting 13 papers and chairing<br />
6 technical sessions.<br />
Worthy of note is a workshop on “Intelligent<br />
Manufacturing” atten<strong>de</strong>d by over 100 people<br />
which was organised by <strong>BFI</strong> in cooperation with<br />
ESTEP and ArcelorMittal.<br />
8 © VDEh-Betriebsforschungsinstitut GmbH
The <strong>BFI</strong> | Events and Meetings<br />
Bei <strong>de</strong>n Jahrestagungen Stahl <strong>2011</strong> und <strong>2012</strong>,<br />
am Aachener Stahl-Kolloquium, sowie an <strong>de</strong>r ICRF<br />
(International Conference of Casting and Forging)<br />
war das <strong>BFI</strong> mit einem Stand vertreten.<br />
Außer<strong>de</strong>m konnten im Berichtszeitraum<br />
Dr. Edwin Basson (Genenaldirektor von Worldsteel)<br />
und Bildungsministerin Prof. Dr. Anette Schavan<br />
im <strong>BFI</strong> begrüßt wer<strong>de</strong>n. Herr Dr. Basson fasste<br />
seinen positiven Eindruck wie folgt zusammen:<br />
»Ich habe nicht nur viel über die Bandbreite <strong>de</strong>r Aktivitäten<br />
gelernt, son<strong>de</strong>rn auch über konkrete Forschungsprojekte<br />
in <strong>de</strong>n verschie<strong>de</strong>nen Einrichtungen. Das ist<br />
exzellente Arbeit, die hier geleistet wird. Ich <strong>de</strong>nke,<br />
dass die Stahlindustrie stolz darauf sein kann. Und<br />
hoffentlich gelingt es uns die beispielhafte Arbeit weltweit<br />
zu verbreiten, um die Effizienz und <strong>de</strong>n Erfolg <strong>de</strong>r<br />
Stahlindustrie weiter zu steigern.<br />
Am meisten beindruckt mich, dass hier nicht mit<br />
riesigen Budgets an extravaganten Lösungen gearbeitet<br />
wird. Hier geht es um anwendungsnahe wirtschaftliche<br />
Lösungen, die <strong>de</strong>n Unternehmen nützen.<br />
In einigen Län<strong>de</strong>rn habe ich ähnliche Einrichtungen<br />
besucht. Darunter war jedoch keine mit so hoch entwickelter<br />
und so klar <strong>de</strong>finierter Forschung, wie ich sie hier<br />
gesehen habe. Die Forschung hier ist weltweit die Beste.«<br />
<strong>BFI</strong> was represented with its own stand at the<br />
Stahl conventions in <strong>2011</strong> and <strong>2012</strong> as well as the<br />
Aachen Steel Colloquium and the ICRF (International<br />
Conference on Ingot Casting, Rolling and<br />
Forging).<br />
Furthermore, in the past two years <strong>BFI</strong> has had<br />
the pleasure of welcoming Dr. Edwin Bas-son<br />
(Director General of Worldsteel) and German<br />
Education Minister Prof. Dr. Annette Schavan,<br />
both of whom were impressed by what they saw.<br />
Dr. Basson speaks about his positive impressions as:<br />
»I not only learnt a lot about the overall scope of<br />
activities here but also gained insights into the actual<br />
research projects being handled by the various laboratories.<br />
There is excellent work being done here and I<br />
think the steel industry can be very proud of this. And<br />
hopefully, we will be able to roll out this example to<br />
other parts of the world in or<strong>de</strong>r to make our industry<br />
more efficient and more successful.<br />
What impressed me most was that these projects<br />
are not big-budget productions aiming to produce<br />
ultra-sophisticated solutions. Instead, the focus is on<br />
practical solutions that can be found on a low budget<br />
and which are beneficial to the industry.<br />
I have visited similar institutes in other countries,<br />
but none of them was as highly <strong>de</strong>vel-oped or had<br />
such clearly <strong>de</strong>fined research policies as here. The<br />
work being done here is simply the best in the world.«<br />
Das Vi<strong>de</strong>o zum Besuch können Sie sich hier anschauen:<br />
The vi<strong>de</strong>o of the visit you can watch here:<br />
Bild / Figure 2<br />
Dr. Edwin Basson, Generaldirektor of worldsteel<br />
Dr. Edwin Basson, Director General of worldsteel<br />
© VDEh-Betriebsforschungsinstitut GmbH<br />
9
Energie- und Ressourcentechnik | Medien- und Energiewirtschaft<br />
Beurteilung von großtechnischen Gasnetzen und<br />
Erarbeitung von Verbesserungsmaßnahmen mittels<br />
Berechnungsergebnissen<br />
Um großtechnische Gasnetze effizient und wirtschaftlich<br />
zu betreiben, müssen diese bei <strong>de</strong>finierten<br />
Druck- und Geschwindigkeitsbedingungen betrieben<br />
wer<strong>de</strong>n. Plötzliche Verän<strong>de</strong>rungen bei Druckstößen<br />
führen bei <strong>de</strong>n angeschlossenen Anlagen z. B. zu<br />
einer unvollständigen Verbrennung bis hin zu<br />
Analgenstörungen o<strong>de</strong>r Sicherheitsabschaltungen.<br />
Daher wer<strong>de</strong>n Gasnetze z. B. für Gicht-, Koksofensowie<br />
Konvertergas systematisch untersucht und<br />
gasnetztechnische Berechnungen durchgeführt.<br />
Ziel <strong>de</strong>r Untersuchungen ist die Erarbeitung von<br />
Verbesserungsmaßnahmen zur Sicherstellung <strong>de</strong>r<br />
Gasversorgung und die Erhöhung <strong>de</strong>r Anlagenleistung.<br />
Das <strong>BFI</strong> hat daher zahlreiche Untersuchungen<br />
im Bereich großnetztechnischer Gasnetze<br />
durchgeführt.<br />
Mit <strong>de</strong>r eingesetzten Software können stationäre<br />
und transiente Berechnungen für inkompressible<br />
Flüssigkeiten und kompressible Gase in<br />
Leitungsnetzwerken durchgeführt wer<strong>de</strong>n. Die<br />
Software basiert auf <strong>de</strong>r Stromfa<strong>de</strong>ntheorie und ist<br />
eindimensional und modular aufgebaut. Die<br />
einzelnen Module wer<strong>de</strong>n für die spezifische<br />
Aufgabenstellung ausgewählt und entsprechend zu<br />
einem Netzwerk verknüpft. Die Simulation stationärer<br />
Zustän<strong>de</strong> ermöglicht die Analyse von Volumen- und<br />
Massenstromverteilungen, Temperatur- und Wärme-<br />
Assessment of industrial-scale gas networks and<br />
<strong>de</strong>velopment of improvement measures based<br />
on calculation results<br />
Operating industrial scale gas networks efficiently<br />
and economically <strong>de</strong>pends on a number of<br />
parameters, including maintaining <strong>de</strong>fined pressure<br />
and flow velocity levels. Sud<strong>de</strong>n changes, for<br />
example pressure surges, can result in incomplete<br />
combustion in the plants fed by the network, or<br />
even plant malfunctions or safety shutdowns.<br />
The gas networks for top gas, coke oven gas or<br />
converter gas, for example, are therefore systematically<br />
inspected and gas network calculations<br />
are performed. The aim of these investigations<br />
is to <strong>de</strong>velop ways of improving the networks to<br />
assure the gas supply and to increase plant performance.<br />
<strong>BFI</strong> has therefore carried out numerous<br />
examinations of large-scale gas networks.<br />
The software used permits calculations to be<br />
performed for steady-state and transient conditions<br />
for incompressible liquids and compressible<br />
gases in piping networks. It is based on the flow<br />
filament theory and has a one-dimensional and<br />
modular architecture. The individual modules<br />
are selected as appropriate for the task in hand<br />
and are linked up to map the network. Simulation<br />
of steady-state conditions makes it possible<br />
to analyse volume and mass flow distributions,<br />
temperature and heat flow distributions, pres-<br />
Bild / Figure 3<br />
Gichtgasdruck als Funktion <strong>de</strong>r Zeit und Position im Gichtgasnetz<br />
Top gas pressure as a function of time and location in the top gas network<br />
10 © VDEh-Betriebsforschungsinstitut GmbH
Energy and Resources | Media and Energy Management<br />
stromverteilungen, Druckverteilungen, Geschwindigkeiten<br />
und Stoffgrößenverän<strong>de</strong>rungen (Dichte,<br />
Viskosität, usw.). Durch transiente Berechnungen<br />
können die oben genannten Größen für zeitabhängige<br />
Vorgänge untersucht und bewertet wer<strong>de</strong>n.<br />
In Bild 3 sind beispielhaft Untersuchungsergebnisse<br />
eines Gichtgasnetzwerkes dargestellt.<br />
Es ist <strong>de</strong>r berechnete Gichtgasdruck als Funktion<br />
<strong>de</strong>r Zeit nach einem plötzlichen herunterfahren<br />
eines Kraftwerkes an unterschiedlichen Position im<br />
Gichtgasnetz dargestellt. Mit diesen und weiterern<br />
Berechnungen konnten Maßnahmen zum sicheren<br />
Betrieb <strong>de</strong>s Gichtgasnetzes und <strong>de</strong>s angeschlossenen<br />
Kraftwerkes erarbeitet wer<strong>de</strong>n. Die Anfangs geplante<br />
Anschaffung einer Fackelanlage zur Senkung <strong>de</strong>s<br />
plötzlich auftreten<strong>de</strong>n Gasnetzdruckes konnte<br />
nachweislich vermie<strong>de</strong>n wer<strong>de</strong>n. Dieses be<strong>de</strong>utete<br />
eine erhebliche Kostenersparnis.<br />
sure dis-tributions, and changes in fluid variables<br />
(<strong>de</strong>nsity, viscosity, etc.). Calculation of transient<br />
states allows the above factors to be examined<br />
and evaluated for time-<strong>de</strong>pen<strong>de</strong>nt processes.<br />
Fig. 3 is showing the results obtained for a top<br />
gas network, is provi<strong>de</strong>d as an example. This gives<br />
the calculated top gas pressure over time after the<br />
sud<strong>de</strong>n shutdown of a power plant at different<br />
positions in the top gas network. These and further<br />
calculations were used to <strong>de</strong>velop measures for<br />
safe operation of the top gas network and the<br />
associated power plant. The initially planned<br />
procurement of a flare system to relieve sud<strong>de</strong>n<br />
peaks in gas network pressure was <strong>de</strong>monstrably<br />
avoi<strong>de</strong>d. This resulted in consi<strong>de</strong>rable cost savings.<br />
Entwicklung von Maßnahmen zur Erhöhung<br />
<strong>de</strong>r Energieeffizienz und Vermin<strong>de</strong>rung <strong>de</strong>r<br />
CO 2<br />
-Emissionen eines integrierten Hüttenwerks<br />
In einem integrierten Hüttenwerk ist <strong>de</strong>r Stoffund<br />
Produktionsfluss beson<strong>de</strong>rs auf eine hohe<br />
Energieeffizienz und bestmögliche Nutzung <strong>de</strong>r<br />
Stoffströme auszurichten. Die Energie <strong>de</strong>r im<br />
Development of measures to increase<br />
the energy efficiency and <strong>de</strong>crease the<br />
CO 2<br />
emissions of an integrated steel mill<br />
In an integrated steel mill, the mass and production<br />
flows must be <strong>de</strong>signed for high energy<br />
efficiency and the best possible utilisation of<br />
the materials employed. Similarly, the energy<br />
Bild / Figure 4<br />
Energieflüsse eines Kraftwerks im integrierten Stahlwerk<br />
Energy flows in a power plant of an integrated steel mill<br />
© VDEh-Betriebsforschungsinstitut GmbH<br />
11
Energie- und Ressourcentechnik | Medien- und Energiewirtschaft<br />
Prozessverlauf erzeugten Kuppelgase (Koksofen-,<br />
Gicht- und Konvertergas) muss dabei bestmöglich<br />
genutzt wer<strong>de</strong>n. Je nach Standortsituation kann<br />
rd. 1/3 <strong>de</strong>s Energieinhalts <strong>de</strong>r Kuppelgase innerhalb<br />
<strong>de</strong>s Hüttenwerks in verschie<strong>de</strong>nen Feuerungen<br />
thermisch verwertet wer<strong>de</strong>n. Der verbleiben<strong>de</strong><br />
Anteil <strong>de</strong>r Kuppelgase wird meistens in angeschlossenen<br />
Kraftwerken zur Strom- und Dampferzeugung<br />
genutzt.<br />
Im Rahmen eines Forschungsvorhabens wur<strong>de</strong>n<br />
Energie- und Stoffbilanzen von zwei integrierten<br />
Hüttenwerken erstellt. Die Daten wur<strong>de</strong>n zur Bestimmung<br />
<strong>de</strong>r Energieeffizienz und <strong>de</strong>r CO 2<br />
-Emissionen<br />
verschie<strong>de</strong>ner Teilanlagen genutzt. Bild 4 zeigt<br />
beispielsweise als Ergebnis einer <strong>de</strong>rartigen Bilanzierung<br />
die ein- und austreten<strong>de</strong>n Energieströme<br />
eines Kraftwerks, das mit Gichtgas und Konvertergas<br />
<strong>de</strong>s Hüttenwerks sowie zusätzlichem Erdgas befeuert<br />
wird. Das Kraftwerk verfügt über einen Kombiprozess<br />
mit Gas- und Dampfturbine und kann mittels<br />
Kraft- / Wärmekopplung neben Strom auch zusätzlichen<br />
Prozessdampf und Fernwärme produzieren.<br />
Die Energie <strong>de</strong>r eingesetzten Brennstoffe konnte<br />
in diesem Beispiel mit einem Wirkungsgrad von<br />
52,6 % energetisch genutzt wer<strong>de</strong>n.<br />
of the process gases (coke oven gas, top gas and<br />
converter gas) generated during the course of<br />
production must be exploited in the best possible<br />
way. Depending on the situation at each site, about<br />
1/3 of the energy carried by the process gases can<br />
be thermally utilised in various firing systems<br />
throughout the steel mill facilities. The remaining<br />
process gases are mostly used in associated power<br />
plants to generate electricity and steam.<br />
Within the course of a research project, the<br />
energy and mass balances of two different integrated<br />
steel mills were analysed. These data were<br />
used to <strong>de</strong>termine the energy efficiency and the<br />
CO 2<br />
emissions of various units. Fig. 4 shows one<br />
example of such analyses with the incoming and<br />
outgoing energy flows of a power plant that is<br />
fired with top gas and converter gas from the<br />
steel mill as well as with natural gas. This power<br />
plant has both a gas and a steam turbine, operates<br />
on the combined heat and power principle and<br />
produces not only electricity but process steam<br />
and district heating. In this example, the energy<br />
contained in the fuels used was utilised with an<br />
efficiency rate of 52.6%.<br />
Energetische Bewertung von feuerungstechnischen<br />
Anlagen und Anlagenverbundsystemen<br />
zur Auf<strong>de</strong>ckung von Einsparpotenzialen <br />
Zur kostengünstigen Herstellung von hochwertigen<br />
Nutzgütern ist <strong>de</strong>r effiziente Einsatz von<br />
Energie eine notwendige Voraussetzung, da in <strong>de</strong>r<br />
Vergangenheit die Kosten für primäre- und sekundäre<br />
Energieträger weiter angestiegen sind. Auch<br />
zukünftig ist mit einem Anstieg <strong>de</strong>r Energiekosten<br />
zu rechnen. Zur effizienteren Nutzung von Energieträgern<br />
bzw. zur besseren Anlagenbeurteilung bzgl.<br />
Wirkungsgrad, Energieeinsatz und –verlust, hat<br />
das <strong>BFI</strong> energetische Bilanzierungen von Anlagen<br />
und –verbundsystemen durchgeführt, siehe Bild 5.<br />
Damit können Maßnahmen z. B. zur Verbesserung<br />
<strong>de</strong>s Wärmestroms erarbeitet wer<strong>de</strong>n. Für einen<br />
Banddurchlaufofen konnte die in <strong>de</strong>n jeweiligen<br />
Zonen in das Nutzgut eingebrachte Wärmemenge<br />
ermittelt wer<strong>de</strong>n. Zu<strong>de</strong>m war es möglich Auswirkungen<br />
bei Verän<strong>de</strong>rungen in <strong>de</strong>r Energiezufuhr<br />
auf die Anlage und das Nutzgut zu bestimmen. So<br />
konnte beispielsweise durch kontrollierte Anpassung<br />
<strong>de</strong>s Brenngas/Luftverhältnisses bei Sicherstellung<br />
<strong>de</strong>r Produktqualität, <strong>de</strong>r Gesamtanlagenwirkungsgrad<br />
um rd. 3 % erhöht wer<strong>de</strong>n. Auch die energetische<br />
Bilanzierung von Anlagenverbundsystemen<br />
Energetic assessment of firing installations and<br />
interconnected systems to i<strong>de</strong>ntify savings<br />
potentials<br />
The efficient use of energy is essential for costeffective<br />
production of high-quality products. In<br />
the past, the costs for primary and secondary<br />
energy sources have risen steadily, and it is to be<br />
expected that energy costs will continue to climb.<br />
In or<strong>de</strong>r to utilise energy sources more efficiently<br />
and to better assess the efficiency, energy input<br />
and energy losses of plant and equipment, <strong>BFI</strong> has<br />
analysed the energy balances of different plants<br />
and interconnected systems, Fig. 5. This will allow<br />
measures to be <strong>de</strong>veloped that will improve the<br />
heat flow, for example. For a continuous strip<br />
furnace it was possible to <strong>de</strong>termine the amount<br />
of heat introduced to the charge material in the<br />
different zones. The effects of changes in the<br />
energy supply on the plant and the charge material<br />
were also i<strong>de</strong>ntified. As one result of these insights,<br />
an increase of some 3 % in overall efficiency was<br />
achieved by controlled adjustment of the fuel<br />
gas/air ratio while assuring consistent product<br />
quality. Similarly, drawing up energy balances<br />
for interconnected plants and systems enables<br />
better assessment of the effects on the overall<br />
12 © VDEh-Betriebsforschungsinstitut GmbH
Energy and Resources | Media and Energy Management<br />
ermöglicht es Auswirkungen auf das Gesamtsystem<br />
z. B. durch Umverteilung von Energieströmen o<strong>de</strong>r<br />
bei Anlagenneubauten besser zu beurteilen. Mit Hilfe<br />
<strong>de</strong>r dann erarbeiteten Verbesserungsmaßnahmen<br />
wer<strong>de</strong>n die Energiekosten gesenkt.<br />
system produced by, for example, redistribution<br />
of energy flows or modification of the equipment<br />
involved. The energy costs can then be lowered<br />
with the help of the improvements <strong>de</strong>signed on<br />
the basis of the findings.<br />
Wie<strong>de</strong>rverwendung <strong>de</strong>r Nie<strong>de</strong>rtemperaturabwäme<br />
zur Vermin<strong>de</strong>rung <strong>de</strong>s CO 2<br />
-Ausstoßes in<br />
<strong>de</strong>r Stahlindustrie<br />
Zur Stahlproduktion und –verarbeitung sind<br />
Temperaturen über 1.000 °C notwendig. Daher<br />
fällt bis zu 70 % <strong>de</strong>r Primärenergie als Abwärme<br />
an. Die Abwärme wird zum Teil in die Prozesse<br />
zurückgeführt und zum Teil an die Umgebungsluft<br />
abgegeben. Durch eine weitergehen<strong>de</strong> Wie<strong>de</strong>rverwendung<br />
<strong>de</strong>r Abwärme könnten Energiekosten und<br />
CO 2<br />
-Ausstoß reduziert und die Wettbewerbsfähigkeit<br />
<strong>de</strong>r europäischen Stahlindustrie erhöht wer<strong>de</strong>n.<br />
Reuse of low temperature heat for the<br />
reduction of CO 2<br />
-impact of the steel industry<br />
Steel production and processing requires temperatures<br />
of over 1,000 °C. As a result, up to 70 %<br />
of the primary energy becomes waste heat. This<br />
waste heat is partly recovered and returned to the<br />
processes and partly dissipated to the surrounding<br />
air. By utilising more of this waste heat it would<br />
be possible to reduce energy costs and carbon<br />
emissions and increase the competitiveness of<br />
the European steel industry.<br />
In einem laufen<strong>de</strong>n europäischen Forschungsprojekt<br />
untersucht das <strong>BFI</strong> zusammen mit sechs Projektpartnern<br />
aus Forschung und Industrie Möglichkeiten<br />
In an ongoing European research project, <strong>BFI</strong> and<br />
six project partners from the research and industry<br />
are investigating the possibilities for reducing<br />
Bild / Figure 5<br />
Schematische Darstellung <strong>de</strong>r Energieströme an einer Ban<strong>de</strong>rwärmungsanlage<br />
Schematic of the energy flows in a continuous strip furnace<br />
© VDEh-Betriebsforschungsinstitut GmbH<br />
13
Energie- und Ressourcentechnik | Medien- und Energiewirtschaft<br />
zur Vermin<strong>de</strong>rung <strong>de</strong>s CO 2<br />
-Ausstosses durch die<br />
Nutzung <strong>de</strong>r Nie<strong>de</strong>rtemperaturabwärme. Das Ziel<br />
ist die Entwicklung von Konzepten und Werkzeugen<br />
zu Umwandlung, Transport und Speicherung <strong>de</strong>r<br />
Abwärme bei Temperaturen unter 350°C.<br />
Hierfür wur<strong>de</strong>n in einem Hüttenwerk relevante<br />
Abwärmeströme gemessen und Wie<strong>de</strong>rverwendungsmöglichkeiten<br />
überprüft. Als Abwärmequellen<br />
sind vor allem Kühlwässer, Abgase und die heißen<br />
Produkte relevant (Bild 6). Die Abwärmemenge reicht<br />
aus, um die i<strong>de</strong>ntifizierten Bedarfe wie Brennluftund<br />
Prozessbadvorwärmung abzu<strong>de</strong>cken. Während<br />
die Abwärme im Abgas meistens mit bekannten<br />
Techologien wie<strong>de</strong>rverwen<strong>de</strong>t wer<strong>de</strong>n kann, wer<strong>de</strong>n<br />
im Rahmen dieses Forschungsprojektes innovative<br />
Lösungen zur Nutzung <strong>de</strong>r Strahlungswärme und<br />
<strong>de</strong>r Abwärme im Kühlwasser entwickelt.<br />
Im weiteren Projektverlauf wer<strong>de</strong>n betriebliche<br />
Tests zur Integration ausgewählter Technologien<br />
zur Abwärmeumwandlung in die Produktionsprozesse<br />
durchgeführt. Die Wirtschaftlichkeit sowie<br />
die Vermin<strong>de</strong>rung <strong>de</strong>s CO 2<br />
-Ausstosses durch die<br />
vorgeschlagenen Maßnahmen wer<strong>de</strong>n mit Hilfe <strong>de</strong>s<br />
Mo<strong>de</strong>lls eines virtuellen Hüttenwerkes abgeschätzt.<br />
Das Mo<strong>de</strong>l wur<strong>de</strong> auf Basis von Messdaten mit Hilfe<br />
von ReMIND Software erstellt und ermöglicht die<br />
Erarbeitung optimaler Lösungen zur kostengünstigen<br />
Vermin<strong>de</strong>rung <strong>de</strong>s CO 2<br />
-Ausstosses durch die<br />
Wie<strong>de</strong>rverwendung <strong>de</strong>r Nie<strong>de</strong>rtemperaturabwärme.<br />
CO 2<br />
emissions by utilising low-temperature waste<br />
heat. The aim is to <strong>de</strong>velop concepts and tools for<br />
converting, transporting and storing waste heat<br />
with a temperature of less than 350°C.<br />
For this purpose, the relevant waste heat flows<br />
in a steel mill were measured and the possibilities<br />
of putting them to use were reviewed. Waste heat<br />
sources that are most relevant in this context are<br />
cooling water, waste gases and the hot products<br />
(Fig. 6). The quantity of waste heat is sufficient to<br />
cover i<strong>de</strong>ntified requirements such as combustion<br />
air and process bath heating. Whereas the waste<br />
heat in waste gas can usually be utilised with the<br />
help of known technologies, this research project<br />
will look into innovative solutions for using radiation<br />
heat and the waste heat in cooling water.<br />
At a later stage in the project, field tests will<br />
be conducted with a view to integrating selected<br />
technologies for waste heat conversion into the<br />
production processes. The economic efficiency and<br />
the reduction in CO 2<br />
emissions achieved through<br />
the proposed methods will be estimated with the<br />
help of a mo<strong>de</strong>l of a virtual steel mill. The mo<strong>de</strong>l<br />
was produced on the basis of measured data using<br />
ReMIND software and allows the generation of<br />
optimal solutions for cost-efficient reduction of<br />
carbon emissions by utilising low-temperature<br />
waste heat.<br />
Steigerung <strong>de</strong>r Energieeffizienz an<br />
Schmie<strong>de</strong>öfen mittels Nie<strong>de</strong>rtemperaturabwärme-Verstromung<br />
Bei <strong>de</strong>r Herstellung hochwertiger Produkte und<br />
Nutzgüter wer<strong>de</strong>n in <strong>de</strong>r Eisen- und Stahlindustrie<br />
Increasing the efficiency of forging furnaces<br />
by utilising low-temperature waste heat to<br />
generate electricity<br />
To produce its high-quality products and materials,<br />
the iron and steel industry uses many<br />
Bild / Figure 6<br />
Abwärmeströme in einer Stranggießanlage<br />
Waste heat flows in a continuous casting plant<br />
14 © VDEh-Betriebsforschungsinstitut GmbH
Energy and Resources | Media and Energy Management<br />
Feuerungsanlagen auf technisch hohem Niveau<br />
betrieben. Durch die Wärmebehandlung <strong>de</strong>r<br />
Produkte wer<strong>de</strong>n z. B. Werkstoff- und Oberflächeneigenschaften<br />
gezielt eingestellt. Der Abwärmestrom<br />
aus <strong>de</strong>n Feuerungsanlagen wird nur teilweise in<br />
Wärmerückgewinnungssystemen o<strong>de</strong>r gar nicht<br />
genutzt. Große Wärmemengen gehen als Abgasverluste<br />
ungenutzt an die Umgebung verloren.<br />
Daher ist das Ziel eines Verbundvorhabens am<br />
Beispiel von zusammengeschalteten Schmie<strong>de</strong>öfen<br />
die Steigerung <strong>de</strong>r Anlagenwirkungsgra<strong>de</strong> und die<br />
Senkung <strong>de</strong>s Fremdstrombezuges durch die Verstromung<br />
<strong>de</strong>r Abwärme in einer ORC-Anlage. Hierfür<br />
wur<strong>de</strong> ein Konzept zur effizienten Zusammenführung<br />
<strong>de</strong>r bis zu 500°C heißen Abwärmeströme<br />
unterschiedlicher Schmie<strong>de</strong>öfen in gedämmten<br />
Leitungen entwickelt. Durch systematische Langzeitmessungen<br />
wur<strong>de</strong>n die jeweiligen Abwärmepotentiale<br />
ermittelt und Energiebilanzen zur<br />
Abschätzung <strong>de</strong>r zu erwarten<strong>de</strong>n Wärmeströme<br />
in Abhängigkeit <strong>de</strong>r jeweiligen Betriebszustän<strong>de</strong><br />
<strong>de</strong>r Schmie<strong>de</strong>öfen durchgeführt und eine Abgassammelleitung<br />
mit redundant ausgeführten Saugzuggebläsen<br />
wur<strong>de</strong> installiert, (Bild 7). Mithilfe von<br />
entwickelten Planungsmo<strong>de</strong>llen ist es möglich, <strong>de</strong>n<br />
Abwärmestrom in <strong>de</strong>r Abgassammelleitung <strong>de</strong>r<br />
Schmie<strong>de</strong>öfen vorauszusagen. Darauf basierend<br />
kann durch angepasste Fahrweise <strong>de</strong>r Schmie<strong>de</strong>öfen<br />
zukünftig die zu erzielen<strong>de</strong> Stromausbeute maximiert<br />
wer<strong>de</strong>n, ohne die Produktion und Produktqualität<br />
zu beeinträchtigen. Im nächsten Schritt wird<br />
eine ORC-Anlage mit einer Leistung von bis zu<br />
300 KW el<br />
zur Verstromung <strong>de</strong>s heißen Abgases<br />
installiert.<br />
different facilities including technically sophisticated<br />
combustion plants. Heat treatments are<br />
used to adjust and fine-tune the material and<br />
surface properties of the products. The waste<br />
heat from the combustion plants is used only<br />
partially in heat recovery systems or not at all.<br />
Large quantities of heat are dissipated unused to<br />
the environment as waste gas losses.<br />
The objective of a joint project involving interconnected<br />
forging furnaces is therefore to increase<br />
the plant efficiency and to reduce the <strong>de</strong>pen<strong>de</strong>ncy<br />
on external power supply by generating electricity<br />
from waste heat in an ORC plant. Therefor<br />
a concept was <strong>de</strong>veloped for efficient merging of<br />
waste heat flows coming from different forging<br />
furnaces with temperatures up to 500°C in an<br />
insulated pipe. Systematic longterm measurements<br />
were recor<strong>de</strong>d to <strong>de</strong>termine the waste heat<br />
potentials in different cases. Energy balance calculations<br />
were performed to estimate the expected<br />
heat flows as a function of the operating statuses<br />
of the individual forging furnaces. The waste gas<br />
collection pipe with redundant fans has been<br />
installed (Fig. 7). With the help of <strong>de</strong>veloped planning<br />
mo<strong>de</strong>ls it is possible to predict the waste<br />
heat flow in the waste gas collection pipe of the<br />
forging furnaces. Based on this the operation<br />
mo<strong>de</strong> of the forging furnaces can be adjusted to<br />
maximize the generation of electricity without<br />
affecting the production and product quality.<br />
The next step will be the installation of an ORC<br />
plant which will generate up to 300 KW el<br />
from<br />
the hot waste gas.<br />
Bild / Figure 7<br />
Fotografische Ansicht <strong>de</strong>r Abgassammelleitung mit eingehausten Gebläsen, Abgaskamin und Anschluss für die ORC-Anlage<br />
Photograph of the waste gas collection pipe with encased fans, waste gas stack and connection point for the ORC plant<br />
© VDEh-Betriebsforschungsinstitut GmbH<br />
15
Energie- und Ressourcentechnik | Medien- und Energiewirtschaft<br />
Kreislaufschließung von Metallen und Spülwasser<br />
in <strong>de</strong>r Weißblech-Produktion<br />
In einem Forschungsvorhaben hat das <strong>BFI</strong> ein<br />
neues Verfahren zur Zinnrückgewinnung sowie<br />
zur Kreislaufschließung von Spülwasser entwickelt<br />
und dieses an einer Vere<strong>de</strong>lungsanlage über einen<br />
mehrwöchigen Zeitraum erprobt. Hauptinnovation<br />
ist <strong>de</strong>r Einsatz <strong>de</strong>r Membrantechnik zur Rückgewinnung<br />
<strong>de</strong>r wertvollen Metallionen aus <strong>de</strong>m sauren<br />
Spülwasser <strong>de</strong>r Verzinnung und die betriebliche<br />
Erprobung auf Basis von maßgeschnei<strong>de</strong>rten säurestabilen<br />
Membranmodulen.<br />
Grundlage <strong>de</strong>r Untersuchungen bil<strong>de</strong>n systematische<br />
Membranlaborversuche zu Rückhalt,<br />
Permeatfluss und Membranbeständigkeit. Zur<br />
Aufbereitung von saurem Spülwasser <strong>de</strong>r Weißblechproduktion<br />
wur<strong>de</strong>n hierfür säurebeständige<br />
polymere Membranen getestet. Die für die<br />
Laborversuche ausgewählten Nanofiltrations- und<br />
Umkehrosmose-Membranen weisen einen sehr guten<br />
Zinn-Rückhalt auf. Das eingesetzte betriebliche<br />
Spülwasser enthielt in <strong>de</strong>n Laborversuchen eine<br />
Zinnkonzentration von maximal 5000 mg/l, während<br />
diese im Permeat mit
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für einen langzeitstabilen Betrieb war neben <strong>de</strong>r<br />
Auswahl chemisch resistenter Membranmaterialien<br />
ein geeigneter, säurestabiler Membranmodul- und<br />
Anlagenbau. Die eingesetzten Modulprototypen<br />
erwiesen sich über <strong>de</strong>m mehrwöchigen Untersuchungszeitraum<br />
als chemisch beständig. Das<br />
metallhaltige Konzentrat konnte in <strong>de</strong>n Elektrolyten<br />
zurückgeführt wer<strong>de</strong>n, das Permeat <strong>de</strong>r<br />
Umkehrosmose lässt sich erneut als Spülwasser<br />
einsetzen. In <strong>de</strong>n Betriebsversuchen im Bypass<br />
<strong>de</strong>r Verzinnungsanlage wur<strong>de</strong>n bei einem Druck<br />
von 30 bar Permeatflüsse bis 16 l/m² h ermittelt.<br />
Durch <strong>de</strong>n Einsatz <strong>de</strong>r Membrantechnik kann<br />
zinnhaltiges Spülwasser aus <strong>de</strong>r Weißblechproduktion<br />
energie- und ressourcenschonend aufbereitet<br />
wer<strong>de</strong>n. Das entwickelte Verfahrenskonzept<br />
ermöglicht die Rückgewinnung <strong>de</strong>r Wertstoffe aus<br />
<strong>de</strong>m Spülwasser, d.h. Rückführung <strong>de</strong>r Metalle,<br />
Säuren und organischen Additive in <strong>de</strong>n Elektrolyten,<br />
sowie die erneute Nutzung <strong>de</strong>s gereinigten<br />
Filtrats als Spülwassers.<br />
stable operation was not only selecting chemically<br />
resistant membrane materials but also <strong>de</strong>signing<br />
the membrane module and other equipment for<br />
acid resistance. The module prototypes used proved<br />
to be chemically resistant throughout the test<br />
period lasting several weeks. The metal-containing<br />
concentrate was fed back into the electrolyte, and<br />
the permeate from reverse osmosis can be reused<br />
as rinsing water. In the shop trials in the bypass<br />
of the tinning line, permeate flux rates of up to<br />
16 l/m² h were measured at a pressure of 30 bar.<br />
By using membrane technology it is possible<br />
to treat tin-la<strong>de</strong>n rinsing water from tinplate<br />
production in an energy and resource conserving<br />
way. The process concept which was <strong>de</strong>veloped<br />
makes it possible to recover valuable substances<br />
from the rinse water, i.e. return metals, acids and<br />
organic additives to the electrolyte and reuse the<br />
cleaned filtrate as rinsing water.<br />
Betriebliche Online-Überwachung von Beizbä<strong>de</strong>rn<br />
Beim Beizen von Stahloberflächen wird das<br />
Stahlband durch ein hoch aggressives Säurebad<br />
geführt. Dort wer<strong>de</strong>n die in nachfolgen<strong>de</strong>n Prozessschritten<br />
Kaltwalzen o<strong>de</strong>r Vere<strong>de</strong>ln stören<strong>de</strong>n<br />
Zun<strong>de</strong>rschichten chemisch gelöst. Mit Ab- und<br />
Auflösung <strong>de</strong>r Metalle in <strong>de</strong>r Säure verringert sich<br />
<strong>de</strong>r Säuregehalt im Prozessbad. Die Überwachung<br />
<strong>de</strong>r Prozessbadparameter Säure- und Metallkonzentration<br />
erfolgte bisher meist auf Basis weniger<br />
manueller Probenahmen und Laboranalysen.<br />
Industrial online monitoring of pickling baths<br />
During pickling of steel surfaces, the strip is passed<br />
through a highly aggressive acid bath. Here, layers<br />
of scale which would disrupt subsequent process<br />
steps are removed by chemical action. As metal<br />
ions are <strong>de</strong>tached and dissolved in the acid, the<br />
acidity of the process bath gradually reduces. Until<br />
now, monitoring of the process bath parameters<br />
of acid and metal concentration has usually been<br />
done through manual sample-taking and laboratory<br />
analysis at infrequent intervals (once per shift, for<br />
Bild / Figure 10<br />
<strong>BFI</strong>-DynAcid®-Messstrecke zur Prozessüberwachung in Beizbä<strong>de</strong>rn<br />
<strong>BFI</strong>-DynAcid® measuring system for process monitoring of<br />
pickling baths<br />
© VDEh-Betriebsforschungsinstitut GmbH<br />
Bild / Figure 11<br />
Multisensor-Laborversuchsanlage für Untersuchungen mit<br />
Säuregemischen<br />
Multi-sensor laboratory plant for investigations in acid mixtures<br />
17
Energie- und Ressourcentechnik | Medien- und Energiewirtschaft<br />
Das vom <strong>BFI</strong> entwickelte online-Messverfahren<br />
<strong>BFI</strong>-DynAcid® liefert zur Prozessüberwachung von<br />
Beizbä<strong>de</strong>rn kontinuierlich die Betriebsdaten <strong>de</strong>r<br />
Säure- und Salzkonzentration, Bild 10. Diese können<br />
direkt in das betriebliche Prozesssteuerungskonzept<br />
eingebun<strong>de</strong>n, für <strong>de</strong>n Betreiber visualisiert und zur<br />
Steuerung <strong>de</strong>r Säuredosierung verwen<strong>de</strong>t wer<strong>de</strong>n.<br />
Die Messtechnik <strong>BFI</strong>-DynAcid® dient somit zur<br />
Prozessüberwachung und zur Qualitätskontrolle<br />
und führt oftmals zu <strong>de</strong>utlichen betrieblichen<br />
Kosteneinsparungen. Die DynAcid®-Messtechnik<br />
wur<strong>de</strong> erfolgreich national und international an<br />
HCl-Beizlinien installiert.<br />
Eine betriebliche Demonstration an einer schwefelsauren<br />
Beizlinie hat erfolgreich gezeigt, dass unter<br />
Verwendung <strong>de</strong>r Konzentrationswerte sowie weiterer<br />
verfügbarer Prozessdaten eine vollständige Steuerung<br />
<strong>de</strong>r Linie über ein neuronales Netzwerkmo<strong>de</strong>ll<br />
möglich ist, bspw. durch Vorgabe <strong>de</strong>r optimalen<br />
Bandgeschwindigkeit bei gleichzeitiger Minimierung<br />
<strong>de</strong>r Fehlerrate <strong>de</strong>s zu beizen<strong>de</strong>n Stahlban<strong>de</strong>s.<br />
Im Rahmen aktueller Forschungsprojekte wur<strong>de</strong>n,<br />
ergänzend zu <strong>de</strong>n bereits bearbeiteten Beizsäuren<br />
Schwefel- und Salzsäure, Arbeiten zur Anwendung<br />
<strong>de</strong>s integralen Messverfahrens für Beizsäuregemische<br />
mit drei Hauptkonzentrationsgrößen<br />
(z.B. HNO 3<br />
-HF-Metallsalze und HCl-Fe-Fe 3+ ) durchgeführt,<br />
Bild 11. Ein weiteres Projekt beinhaltet die<br />
betriebliche Umsetzung <strong>de</strong>s online-Messverfahrens<br />
für HNO 3<br />
-HF-Mischsäure zur E<strong>de</strong>lstahlherstellung<br />
und die Optimierung <strong>de</strong>r Konzentrationsregelungsmo<strong>de</strong>lle.<br />
instance). The online measuring technique <strong>BFI</strong>-<br />
DynAcid®, which <strong>BFI</strong> <strong>de</strong>veloped for monitoring<br />
pickling bath processes, <strong>de</strong>livers continuous operating<br />
data on the acid and salt concentrations, Fig.<br />
10. These data can be integrated directly into the<br />
process control concept of the plant, visualised<br />
for the plant operator, and used to control the<br />
dosage of acid, for example. The <strong>BFI</strong>-DynAcid®<br />
measuring technology, which is marketed by <strong>BFI</strong><br />
Betriebstechnik GmbH, thus serves for both process<br />
monitoring and quality control, and frequently<br />
helps to achieve significant savings in operating<br />
costs. DynAcid® systems have been successfully<br />
installed on HCl pickling lines both insi<strong>de</strong> and<br />
outsi<strong>de</strong> Germany, e.g. in Turkey and South Korea.<br />
An industrial <strong>de</strong>monstration on a sulphuric<br />
acid pickling line successfully showed that by<br />
using the concentration values as well as other<br />
available process data, it is possible to control the<br />
line completely via a neural network mo<strong>de</strong>l, for<br />
example by inputting the optimum strip speed<br />
while reducing the <strong>de</strong>fect rate of the steel strip<br />
being pickled.<br />
In the course of current research projects, to<br />
supplement the prior studies on sulphuric and<br />
hydrochloric acid, work has been carried out on<br />
applying the integrative measuring method to<br />
mixed acid pickling baths with three main concentration<br />
variables (e.g. HNO 3<br />
-HF metal salts and<br />
HCl-Fe-Fe 3+ ), Fig. 11. One further project inclu<strong>de</strong>s<br />
the industrial implementation of the online monitoring<br />
technique for HNO 3<br />
-HF mixed acid for<br />
stainless steel production and the optimisation<br />
of the concentration control mo<strong>de</strong>ls.<br />
Kontinuierliche Reinigung von Kaltwalz-<br />
Emulsionen durch Membranfiltration<br />
In einem Kooperationsprojekt hat das <strong>BFI</strong> ein neues<br />
Verfahren zur Emulsionsreinigung entwickelt und<br />
mit betrieblichen Kaltwalz-Emulsionen erprobt.<br />
Neu ist die Nutzung <strong>de</strong>r Membranfiltration zur<br />
kontinuierlichen Emulsionsreinigung im Kreislauf,<br />
im Gegensatz zur Nutzung als nachgeschaltetes<br />
Verfahren für verworfene Emulsionen. Das Verfahrensziel<br />
ist eine kontinuierliche chemikalienfreie<br />
Reinigung von Emulsionen, mit <strong>de</strong>r Feststoff-Partikel<br />
und <strong>de</strong>mulgiertes Fremdöl entfernt wer<strong>de</strong>n, aber<br />
das für <strong>de</strong>n Kaltwalzprozess notwendige emulgierte<br />
Öl im Kreislauf verbleibt. Dadurch sollen die<br />
Qualität <strong>de</strong>r Emulsion verbessert und die Standzeit<br />
verlängert wer<strong>de</strong>n.<br />
Continuous cleaning of cold-rolling emulsions<br />
by membrane filtration<br />
In a joint project, <strong>BFI</strong> has <strong>de</strong>veloped a new<br />
process for cleaning emulsions and tested this<br />
in the field with industrially used emulsions. The<br />
new aspect is the utilisation of membrane filtration<br />
for in-service emulsion cleaning in a closed<br />
cycle, instead of as an „end-of-pipe“ technique<br />
for treating discar<strong>de</strong>d emulsions. The aim of the<br />
process is to achieve continuous chemical-free<br />
cleaning of emulsions by separating out solid<br />
particles and <strong>de</strong>mulsified tramp oil while allowing<br />
the emulsified oil required for the cold-rolling<br />
process to remain in the circuit. This should ultimately<br />
improve the quality of the emulsion and<br />
prolong its service life.<br />
18 © VDEh-Betriebsforschungsinstitut GmbH
Energy and Resources | Media and Energy Management<br />
In Laborversuchen wur<strong>de</strong>n ausgewählte Mikrofiltrationsmembranen<br />
aus Keramik und Stahl getestet<br />
(Bild 12). Mit zwei gewebten Stahlmembranen<br />
wur<strong>de</strong> exemplarisch eine feststoffhaltige betriebliche<br />
„Kaltwalzemulsion A“ für Bandstahl filtriert.<br />
Es wur<strong>de</strong> ein Feststoffrückhalt von 20 % - 50 %<br />
ermittelt – ebenso ein unerwünschter Ölrückhalt<br />
in gleicher Größenordnung. Dies ist auf die speziellen<br />
Emulsionseigenschaften zurückzuführen:<br />
die Feststoffe lagen in niedriger Konzentration<br />
in i<strong>de</strong>ntischer Größenordnung wie die Öltropfen<br />
vor und wur<strong>de</strong>n somit von <strong>de</strong>r Mikrofiltrationsmembran<br />
zu einem ähnlichen Anteil wie das Öl<br />
zurückgehalten.<br />
Bei <strong>de</strong>r Filtration einer betrieblichen „Kaltwalzemulsion<br />
B“ <strong>de</strong>r Rohrherstellung wur<strong>de</strong> ein besseres<br />
Verhältnis von Feststoffrückhalt und Ölrückhalt<br />
erzielt. Der Feststoffrückhalt lag bei 10 % - 40 %,<br />
um Faktor 2 - 3 über <strong>de</strong>m Ölrückhalt. Die Feststoffabtrennung<br />
mit geringem Ölverlust gelingt<br />
also bei dieser stärker verschmutzten stabilen<br />
Emulsion besser.<br />
In laboratory tests, selected microfiltration<br />
membranes ma<strong>de</strong> of ceramics and steel were<br />
tested (Fig. 12). Two woven steel membranes were<br />
used to filter a typical “cold-rolling emulsion<br />
A” for strip steel that had been used in actual<br />
practice and contained solid particles. A solids<br />
retention rate of 20 to 50% was <strong>de</strong>termined –<br />
but at the same time an un<strong>de</strong>sired oil retention<br />
rate of the same or<strong>de</strong>r. This is attributable to the<br />
special characteristics of the emulsion: the solids<br />
were present in low concentration in the same<br />
size range as the oil droplets and were therefore<br />
retained by the microfiltration membrane in a<br />
percentage similar to the retention of oil.<br />
Upon filtration of a “cold-rolling emulsion B”<br />
that had been used to produce tube material,<br />
the ratio of solids to oil retention improved. At<br />
10 to 40%, the solids retention rate was a factor<br />
of 2 to 3 above the oil retention rate. Removal<br />
of the solids with low oil loss is therefore more<br />
successful with this more highly contaminated<br />
but stable emulsion.<br />
Bild / Figure 12<br />
Membranen <strong>de</strong>r Laborversuche, Materialien von links nach rechts:<br />
Al 2<br />
O 3<br />
, SiC, Al 2<br />
O 3<br />
, Al 2<br />
O 3<br />
, gesinterter Stahl, mehrlagiger gewebter<br />
Membranes used in laboratory tests; materials from left to right: Al 2<br />
O 3<br />
,<br />
SiC, Al 2<br />
O 3<br />
, Al 2<br />
O 3<br />
, sintered steel, multi-layer woven steel<br />
© VDEh-Betriebsforschungsinstitut GmbH<br />
Bild / Figure 13<br />
Mobile <strong>BFI</strong>-Technikumsanlage zur Mikrofiltration<br />
Mobile <strong>BFI</strong> pilot system for microfiltration<br />
19
Energie- und Ressourcentechnik | Medien- und Energiewirtschaft<br />
Die Betriebsparameter für die Filtration wur<strong>de</strong>n<br />
in Versuchen mit <strong>de</strong>r <strong>BFI</strong>-eigenen mobilen Technikumsanlage<br />
(Bild 13) bestimmt. Abschließend<br />
wur<strong>de</strong> das Verfahren im Bypass zum Emulsionskreislauf<br />
einer Kaltwalzstraße für Bandstahl<br />
erprobt. Es wur<strong>de</strong> eine hohe Filtratleistung von<br />
1000-2000 l/m²h erreicht (Filtrat bezogen auf<br />
Membranfläche in m²). Mit <strong>de</strong>r gewebten Stahlmembran<br />
konnte ein Feststoffrückhalt von ca. 50 % bei<br />
einem Ölrückhalt von nur ca. 10 % erzielt wer<strong>de</strong>n.<br />
Mit diesem niedrigen Verlust an emulgiertem Öl<br />
ist die gewebte Stahlmembran geeignet zur Feststoffabtrennung<br />
aus Emulsionen. Die Membranfiltration<br />
stellt damit eine neue Verfahrensoption<br />
zur kontinuierlichen Emulsionsreinigung dar.<br />
The operating parameters for filtration were<br />
<strong>de</strong>termined in tests on <strong>BFI</strong>’s own mobile pilot<br />
system (Fig. 13). Following this, the technique<br />
was tested in the bypass of the emulsion circuit<br />
in a steel strip cold-rolling mill. A filtration<br />
performance of 1000 – 2000 l/m²h was achieved<br />
(permeate flux rate referred to membrane area<br />
in m²). With the woven steel membrane a solids<br />
retention rate of approx. 50% was achieved with<br />
an oil retention rate of only about 10%. With this<br />
low rate of emulsified oil loss, the woven steel<br />
membrane is suitable for separating out solids from<br />
emulsions. Membrane filtration therefore offers<br />
a new option for continuous emulsion cleaning.<br />
Hochdruck-Wasserstrahlen zur Entzun<strong>de</strong>rung von<br />
Stahldraht<br />
Das Beizen von Stahldraht, insbeson<strong>de</strong>re aus<br />
E<strong>de</strong>lstahl, ist ein aufwändiger Prozess: auf die Vorbehandlung<br />
z.B. in einem Salzbad folgen mehrere<br />
Beizschritte mit hoch konzentrierten Säuren. Bei<br />
Stahlsorten mit hoher Chrom- und Nickellegierung<br />
durchläuft ein nennenswerter Prozentsatz <strong>de</strong>r<br />
Drahtcoils die gesamte Beizanlage doppelt. Damit<br />
verbun<strong>de</strong>n sind eine doppelte Anlagenbelegung<br />
sowie ein hoher Verbrauch an Vorbehandlungs-<br />
Chemikalien und Säuren und entsprechen<strong>de</strong><br />
Entsorgungskosten.<br />
High pressure water jet treatment for <strong>de</strong>scaling<br />
steel wire<br />
Pickling of steel wire, especially that ma<strong>de</strong><br />
of special steel, is a complex process involving<br />
pretreatment (e.g. in a salt bath) followed by several<br />
pickling steps using highly concentrated acids.<br />
For steel alloys with a high percentage of chrome<br />
and nickel, a significant proportion of the wire<br />
coils has to be passed through the entire pickling<br />
line twice. This doubles the amount of coils being<br />
processed and results in higher consumption of<br />
pretreatment chemicals and acids, which in turn<br />
drives up disposal costs.<br />
Bild / Figure 14<br />
Strahlbild beim Hochdruck-Wasserstrahlen eines Drahtcoils<br />
Jet pattern during high pressure water jet treatment of a wire coil<br />
20 © VDEh-Betriebsforschungsinstitut GmbH
Energy and Resources | Media and Energy Management<br />
In einem laufen<strong>de</strong>n europäischen Forschungsprojekt<br />
untersucht das <strong>BFI</strong> zusammen mit vier<br />
Projektpartnern aus Forschung und Industrie das<br />
Hochdruck-Wasserstrahlen zur Entzun<strong>de</strong>rung von<br />
Drahtcoils. Ziel ist die Steigerung <strong>de</strong>r Beizeffizienz<br />
und Einsparung von Ressourcen.<br />
Hierzu wur<strong>de</strong>n Laborversuche zum Hochdruck-<br />
Wasserstrahlen von einzelnen Stahldrähten und<br />
geschichteten Stahldrähten entsprechend <strong>de</strong>r Geometrie<br />
im Drahtcoil durchgeführt. Mit Wasserstrahl-<br />
Drücken unter 1000 bar kann <strong>de</strong>r nach einem ersten<br />
Beizschritt gebil<strong>de</strong>te oberflächliche Wischzun<strong>de</strong>r<br />
von <strong>de</strong>n Stahldrähten entfernt wer<strong>de</strong>n.<br />
Die Entzun<strong>de</strong>rung von Drahtcoils mittels<br />
Hochdruck-Wasserstrahlen ist wegen <strong>de</strong>r unterschiedlichen<br />
Geometrie nicht vergleichbar mit <strong>de</strong>r<br />
Ban<strong>de</strong>ntzun<strong>de</strong>rung. Durch die Drahtschicht wird<br />
<strong>de</strong>r Wasserstrahl abgelenkt und die Aufprallkraft<br />
erheblich verringert (Bild 14). Trotz<strong>de</strong>m kann bei<br />
geeigneter Verfahrensführung auch beim Drahtcoil<br />
ein großer Teil <strong>de</strong>s Wischzun<strong>de</strong>rs durch Hochdruck-<br />
Wasserstrahlen entfernt wer<strong>de</strong>n.<br />
Mit <strong>de</strong>r Installation einer Wasserstrahl-Entzun<strong>de</strong>rung<br />
in einer Beizlinie und anschließen<strong>de</strong>n Tests<br />
wird das Verfahren an die industriellen Anfor<strong>de</strong>rungen<br />
angepasst. Herausfor<strong>de</strong>rungen sind dabei<br />
unter an<strong>de</strong>ren die benötigte Relativbewegung<br />
zwischen Drahtcoil und Düsen sowie die Prozesssicherheit.<br />
Die variable Geometrie <strong>de</strong>r Drahtcoils<br />
birgt die Gefahr <strong>de</strong>r Kollision von Drahtwindungen<br />
und Düsen, daher ist insbeson<strong>de</strong>re <strong>de</strong>r Abstand<br />
zwischen Düse und Drahtcoil zu optimieren.<br />
Im weiteren Projektverlauf wer<strong>de</strong>n umfangreiche<br />
Tests zur Entzun<strong>de</strong>rung von Drahtcoils verschie<strong>de</strong>ner<br />
Stahlsorten durchgeführt. Die Untersuchung<br />
<strong>de</strong>s Einflusses <strong>de</strong>s Hochdruck-Wasserstrahlens auf<br />
das nachfolgen<strong>de</strong> Drahtziehen sowie eine Kosten-<br />
Nutzen-Analyse <strong>de</strong>s neuen Verfahrens bil<strong>de</strong>n weitere<br />
Inhalte <strong>de</strong>s Forschungsprojektes.<br />
In an ongoing European research project, <strong>BFI</strong> and<br />
four project partners from research and industry<br />
are investigating the use of high pressure water<br />
jet treatment to <strong>de</strong>scale wire coils with the dual<br />
aim of improving pickling efficiency and reducing<br />
resource usage.<br />
Laboratory tests have been conducted with high<br />
pressure water jets to treat single steel wires and<br />
stacked steel wires simulating the geometry in a<br />
wire coil. At water jet pressures below 1000 bar<br />
it is possible to remove the scale formed on the<br />
surface of the steel wires during a first pickling<br />
step.<br />
Because of the different geometries involved,<br />
the <strong>de</strong>scaling of wire coils with high pressure<br />
water jet treatment cannot be compared with<br />
strip <strong>de</strong>scaling. The water jet is <strong>de</strong>flected by the<br />
wire layer, which consi<strong>de</strong>rably reduces its impact<br />
(Fig. 14). Nevertheless, if the process is suitably<br />
controlled, high pressure water jets can in<strong>de</strong>ed<br />
remove a large part of the electrolytic scale from<br />
a wire coil.<br />
A water jet <strong>de</strong>scaling system is to be installed<br />
in a pickling line and tested in or<strong>de</strong>r to adapt the<br />
process to meet industrial needs. The challenges<br />
here are to achieve the required relative motion<br />
between the wire coil and the nozzles and to<br />
assure process reliability. Because of the variable<br />
geometry of the wire coils there is a risk that<br />
wire windings may colli<strong>de</strong> with the nozzles, so<br />
that a main focus will be to optimise the distance<br />
between the nozzle and the coil.<br />
At a later stage in the project extensive <strong>de</strong>scaling<br />
tests will be carried out using different gra<strong>de</strong>s of<br />
steel. Further objectives of the research project<br />
inclu<strong>de</strong> an investigation of how high pressure<br />
water jet treatment influences subsequent wire<br />
drawing as well as a cost-benefit analysis of the<br />
new technique.<br />
Aufbereitung von Spülwässern aus Beizlinien<br />
Ein entschei<strong>de</strong>n<strong>de</strong>r Schritt für die Erzeugung<br />
qualitativ hochwertiger Blechoberflächen in Kaltwalzwerken<br />
ist das Beizen. Hierunter wird das<br />
chemische Entfernen von Oxidschichten (Zun<strong>de</strong>r)<br />
und an<strong>de</strong>ren Verunreinigungen mit Hilfe starker<br />
Mineralsäuren verstan<strong>de</strong>n. Anschließend an das<br />
Beizen muss die Metalloberfläche von verbleiben<strong>de</strong>r<br />
Beizsäure, Salzen und abgelösten Zun<strong>de</strong>r befreit<br />
Treatment of rinsing water from pickling lines <br />
One crucial step in producing high-quality<br />
strip surfaces in cold-rolling mills is pickling.<br />
This is a process for chemically removing oxi<strong>de</strong><br />
layers (scale) and other impurities with the help<br />
of strong mineral acids. After pickling, the metal<br />
surface must be freed from remaining pickling<br />
acid, salts and <strong>de</strong>tached scale. This is usually<br />
done in a casca<strong>de</strong> of rinsing baths filled with<br />
© VDEh-Betriebsforschungsinstitut GmbH<br />
21
Energie- und Ressourcentechnik | Medien- und Energiewirtschaft<br />
wer<strong>de</strong>n. Hierzu wer<strong>de</strong>n meist kaskadiert angeordnete<br />
Spülbä<strong>de</strong>r verwen<strong>de</strong>t, die mit vollentsalztem<br />
Wasser mit einer Leitfähigkeit von ca. 0,1 mS/cm<br />
betrieben wer<strong>de</strong>n. Durch die Spülung reichert sich<br />
die Spüllösung mit Salzen, Säuren etc. an und muss<br />
zur Sicherung <strong>de</strong>r Oberflächenqualität verworfen<br />
wer<strong>de</strong>n. Die Aufbereitung verbrauchter Spülwässer<br />
und die Rückgewinnung hochwertigen Prozesswassers<br />
ist wirtschaftlich meist zu aufwendig.<br />
Das <strong>BFI</strong> untersucht daher alternative Trennverfahren<br />
wie Membran<strong>de</strong>stillation und Gefrierkonzentration<br />
hinsichtlich ihrer Trennleistung und<br />
Wirtschaftlichkeit im industriellen Einsatz, siehe<br />
Bild 15.<br />
Betriebliche Nie<strong>de</strong>rtemperaturabwärme (bis<br />
200 °C) kann beim Einsatz <strong>de</strong>r Membran<strong>de</strong>stillation<br />
verwen<strong>de</strong>t wer<strong>de</strong>n. In Untersuchungen wur<strong>de</strong>n die<br />
Parameter Feedtemperatur, Permeattemperatur<br />
sowie Überströmungsgeschwindigkeit variiert.<br />
Als Feedlösung diente sowohl Mo<strong>de</strong>llösung aus<br />
Eisennitrat Fe(NO 3<br />
) 3<br />
mit einer Leitfähigkeit von<br />
ca. 13 mS/cm bei Raumtemperatur als auch<br />
betriebliches Spülwasser einer Beizlinie für kaltgewalzte<br />
Bän<strong>de</strong>r. Darüber hinaus wur<strong>de</strong>n Arbeiten<br />
zur Membrancharakterisierung vor und nach <strong>de</strong>r<br />
Einlagerung in saurem Spülwasser durchgeführt.<br />
Sowohl die theoretischen als auch praktischen<br />
Ergebnisse zeigten, dass die Feedtemperatur einen<br />
wichtigen Einfluss auf <strong>de</strong>n Permeatfluss hat, da<br />
<strong>de</strong>r Dampfdruck von Wasser exponentiell mit <strong>de</strong>r<br />
Temperatur ansteigt. Hingegen hat die Permeattemperatur<br />
weniger Einfluss. Darüber hinaus wur<strong>de</strong><br />
festgestellt, dass <strong>de</strong>r Permeatfluss mit steigen<strong>de</strong>r<br />
Überströmungsgeschwindigkeit ansteigt. Der maximale<br />
gemessene Permeatfluss <strong>de</strong>r untersuchten<br />
PP-Membran betrug 8,4 l/m²h bei einer Feedtemperatur<br />
von 70 °C und einer Permeattemperatur<br />
von ca. 40 °C.<br />
<strong>de</strong>ionised water with a conductivity of approx.<br />
0.1 mS/cm. During the rinsing process, the water<br />
in the baths becomes la<strong>de</strong>n with salts, acids etc.<br />
and must be discar<strong>de</strong>d to assure the quality of<br />
the product surface. The treatment of used rinse<br />
water to recover high-quality process water is<br />
normally too costly to be profitable.<br />
<strong>BFI</strong> is therefore investigating alternative separation<br />
methods such as membrane distillation and<br />
freeze concentration to assess their performance<br />
and cost-effectiveness in industrial use, see Fig. 15.<br />
Low-temperature waste heat (up to 200°C) from<br />
production operations can be used in the case of<br />
membrane distillation. In tests, the parameters<br />
of feed temperature, permeate temperature and<br />
overflow rate were varied. The feed solutions<br />
employed were a mo<strong>de</strong>l solution consisting of ferric<br />
nitrate Fe(NO 3<br />
) 3<br />
with a conductivity of approx.<br />
13 mS/cm at room temperature as well as spent<br />
rinsing water from an industrial pickling line<br />
for cold-rolled strip. In addition, work has been<br />
carried out on membrane characterisation before<br />
and after storage in acidic rinsing water.<br />
Both the theoretical and the practical results<br />
show that the feed temperature has a major influence<br />
on the permeate flux as the vapour pressure<br />
of water rises exponentially with temperature.<br />
The permeate temperature, on the other hand,<br />
is of lesser importance. It was also found that<br />
the permeate flux increases as the overflow rate<br />
rises. The maximum permeate flux measured<br />
with the studied PP membrane was 8.4 l/m²h<br />
at a feed temperature of 70°C and a permeate<br />
temperature of approx. 40°C.<br />
Bild / Figure 15<br />
Klassische und neue Verfahren zur Aufbereitung von Spülwässern aus Beizprozessen<br />
Classical and new methods for treatment of rinsing water from pickling lines<br />
22 © VDEh-Betriebsforschungsinstitut GmbH
Energy and Resources | Resource Technologies<br />
Beim Einsatz betrieblicher Spülwässer zeigte sich,<br />
dass Säuredampf die Membran passieren kann, so<br />
dass ein Leitfähigkeitsanstieg im Permeat erfolgt<br />
und damit die Effektivität <strong>de</strong>r Spülwasseraufbereitung<br />
beeinflusst wird. Ggf. müsste daher das<br />
verbrauchte Spülwasser vor <strong>de</strong>r Behandlung mittels<br />
Membran<strong>de</strong>stillation neutralisiert wer<strong>de</strong>n.<br />
Bei <strong>de</strong>r Gefrierkonzentration wird das belastete<br />
Spülwasser auf Temperaturen unterhalb <strong>de</strong>s Gefrierpunktes<br />
abgekühlt. Dadurch bil<strong>de</strong>t sich salzfreies Eis<br />
im Spülwasser. Bei optimaler Prozessführung kann<br />
das Eis in hoher Reinheit erzeugt und anschließend<br />
vom verbleiben<strong>de</strong>n Spülwasser abgetrennt wer<strong>de</strong>n.<br />
Das verbleiben<strong>de</strong> Spülwasser soll dabei i<strong>de</strong>aler<br />
Weise so hoch aufkonzentriert wer<strong>de</strong>n, dass es<br />
in <strong>de</strong>n Beizprozess zurückgeführt bzw. in einer<br />
angeschlossenen Regeneration behan<strong>de</strong>lt wer<strong>de</strong>n<br />
kann. Somit ist es möglich, mit <strong>de</strong>m Prozess <strong>de</strong>r<br />
Gefrierkonzentration eine vollständige Kreislaufschließung<br />
ohne Reststoffe zu ermöglichen. Eine<br />
Ressourcenschonung wird nicht nur im Bereich <strong>de</strong>s<br />
Spülwassers son<strong>de</strong>rn auch im Bereich <strong>de</strong>r Frischsäuren<br />
erreicht.<br />
Im Rahmen <strong>de</strong>s Projektes wur<strong>de</strong>n Laborversuche<br />
zur Auswahl einer geeigneten Wärmetauschergeometrie<br />
durchgeführt. Darauf aufbauend wird<br />
aktuell eine Demonstrationsanlage entwickelt, die<br />
ein Gefrieren <strong>de</strong>s Eises und <strong>de</strong>ssen Abtrennung<br />
realisiert. Gleichzeitig wer<strong>de</strong>n insbeson<strong>de</strong>re die<br />
Steuer- und Regelparameter <strong>de</strong>s Kühlaggregates<br />
optimiert.<br />
Die Laborversuche an unterschiedlichen Wärmetauschergeometrien<br />
zeigten, dass eine <strong>de</strong>utliche<br />
Abreicherung von Ionen im Eis möglich ist. Mit<br />
einer Leitfähigkeit von ca. 3 mS/cm, wie sie bei<br />
einem Temperaturgradienten von 0,05 °C/min<br />
erreicht wur<strong>de</strong>, ist in einer mehrstufigen Spüle<br />
<strong>de</strong>r Einsatz in <strong>de</strong>r Zwischenspüle möglich. In <strong>de</strong>r<br />
Endspüle wird jedoch zumeist ein Zielwert von<br />
0,1 mS/cm gewünscht. Eine Optimierung wird an<br />
<strong>de</strong>r Technikumsanlage durch die Anpassung <strong>de</strong>r<br />
Prozessführung sowie <strong>de</strong>r Reglerparameter erfolgen.<br />
When rinsing water from industrial sources<br />
was used, it was found that acid vapours can<br />
pass through the membrane, resulting in higher<br />
conductivity of the permeate and thus diminishing<br />
the effectiveness of the rinsing water treatment.<br />
The used rinsing water may have to be neutralised<br />
before membrane distillation treatment.<br />
In the case of freeze concentration, the<br />
contaminated rinsing water is cooled to a temperature<br />
below the freezing point. This results in the<br />
formation of a nearly salt-free ice in the rinsing<br />
water. If the process is properly controlled, it<br />
is possible to produce ice with a high <strong>de</strong>gree of<br />
purity which can then be separated out from the<br />
remaining rinsing water. I<strong>de</strong>ally, the remaining<br />
rinsing water should be reconcentrated to an<br />
extent that it can be returned to the pickling<br />
process or treated in an associated regeneration<br />
plant. The freeze concentration process thus makes<br />
it possible to operate a closed loop without any<br />
residual substances. This conserves resources<br />
not only at the rinsing water level but also as<br />
regards the fresh acids.<br />
In the course of the project, lab tests were<br />
conducted to select an appropriate heat exchanger<br />
geometry. Building on this, a <strong>de</strong>monstration unit<br />
is now being <strong>de</strong>veloped which will allow freezing<br />
of the ice and its recovery. At the same time,<br />
the control and regulating parameters of the<br />
refrigeration unit are being optimised.<br />
Laboratory testing of different heat exchanger<br />
geometries showed that it is possible to significantly<br />
reduce the concentration of ions in the<br />
ice. With a conductivity of approx. 3 mS/cm,<br />
as achieved with a temperature gradient of<br />
0.05 °C/min, the resulting water could be used<br />
in the intermediate rinse of a multistage rinsing<br />
casca<strong>de</strong>. In the final rinse, the target value is usually<br />
0.1 mS/cm. The pilot plant will be refined still<br />
further by adapting the process control system<br />
and the controller parameters.<br />
Weiterentwicklung <strong>de</strong>r AOX-Messtechnik in<br />
wässrigen Proben und an Rohstoffen zur<br />
Vermeidung von Fehlmessungen<br />
In <strong>de</strong>n Industrien <strong>de</strong>s produzieren<strong>de</strong>n Gewerbes<br />
fallen Abwasserströme an, die adsorbierbare organisch<br />
gebun<strong>de</strong>ne Halogene (AOX) enthalten, die<br />
vor <strong>de</strong>r Ableitung kostenintensiv behan<strong>de</strong>lt bzw.<br />
© VDEh-Betriebsforschungsinstitut GmbH<br />
Further <strong>de</strong>velopment of AOX measuring<br />
technology for aqueous samples and for raw<br />
materials to avoid measurement errors<br />
Major production industries generate waste<br />
water streams that contain adsorbable organically<br />
bound halogens or hali<strong>de</strong>s (AOX) and have to be<br />
treated at great expense before being discharged<br />
23
Energie- und Ressourcentechnik | Ressourcentechnologie<br />
extern entsorgt wer<strong>de</strong>n. Die Bildung von AOX erfolgt<br />
z. B. durch <strong>de</strong>n Einsatz von Komplexbildnern, die<br />
Wechselwirkung zwischen oxidativen Biozi<strong>de</strong>n o<strong>de</strong>r<br />
produktionsbedingten organischen Verbindungen im<br />
Kühlwasser. Die adsorbierbaren organischen Halogene<br />
wer<strong>de</strong>n als Summenparameter AOX gemessen.<br />
Die Behandlungs- und Entsorgungskosten sowie<br />
die Genehmigung <strong>de</strong>r Ableitung hängen von <strong>de</strong>r<br />
Konzentration <strong>de</strong>s gemessenen Summenparameters<br />
AOX ab.<br />
Unterschiedliche Wasserinhaltsstoffe wie Chlori<strong>de</strong>,<br />
organische Verbindungen, Schweb- und Feststoffe<br />
beeinflussen die gemessenen AOX-Konzentrationen.<br />
Daraus resultieren Messwertschwankungen bis zu<br />
1.000 %, die im Rahmen von Voruntersuchungen<br />
bei Parallelmessungen <strong>de</strong>r AOX-Konzentration in<br />
zertifizierten Labors ermittelt wur<strong>de</strong>n. Entsprechend<br />
können scheinbare Grenzwertüberschreitungen<br />
vorliegen, die behördliche Maßnahmen wie z.B.<br />
Erhöhung <strong>de</strong>r Abwassergebühr, Umstellung von<br />
Betriebsmitteln und Bau von Abwasserbehandlungsanlagen<br />
zur Folge haben. Die Probleme bei <strong>de</strong>r AOX-<br />
Messung liegen in <strong>de</strong>r bislang wenig bestimmten<br />
Wirkung von Störstoffen auf das Analysenergebnis<br />
sowie in <strong>de</strong>r uneinheitlichen Vorgehensweise zur<br />
or disposed of externally. AOX can be formed, for<br />
example, through the use of complexing agents,<br />
interactions between oxidative bioci<strong>de</strong>s, or through<br />
production-related compounds in cooling water.<br />
The adsorbable organic hali<strong>de</strong>s are measured as the<br />
sum parameter AOX. The treatment and disposal<br />
costs and the permits for discharge <strong>de</strong>pend on<br />
the measured AOX concentration.<br />
Different constituents in water, such as chlori<strong>de</strong>s,<br />
organic compounds, suspen<strong>de</strong>d solids,<br />
etc., will influence the actual AOX concentration<br />
measured. This can result in fluctuations of up<br />
to 1000% in measured values, as <strong>de</strong>termined in<br />
preliminary studies with parallel measurements<br />
of AOX concentrations in certified laboratories.<br />
This may also result in apparent exceedance of<br />
limits with consequences at the regulatory level,<br />
such as increased waste water charges, changes in<br />
equipment and the construction of waste water<br />
treatment plants. The problems with AOX measurement<br />
lie in the asyet little investigated effects<br />
of interfering substances on the analysis results<br />
and in the differences in sample preparation and<br />
Bild / Figure 16<br />
AOX-Messgerät (links) mit Vorrichtung zur Probenvorbereitung (rechts)<br />
AOX-Measuring <strong>de</strong>vice (left) with sample preparation <strong>de</strong>vice (right)<br />
24 © VDEh-Betriebsforschungsinstitut GmbH
Energy and Resources | Resource Technology<br />
Probenvorbereitung und Analysendurchführung.<br />
Daraus ergeben sich Fehlmessungen und ein eingeschränkte<br />
Vergleichbarkeit <strong>de</strong>r Messergebnisse. Dies<br />
führt zu einer ungenauen Kenntnis <strong>de</strong>r tatsächlichen<br />
Prozesswasserzusammensetzung. Belastbare<br />
Informationen zur Beurteilung <strong>de</strong>r Effektivität<br />
von Behandlungsverfahren zur AOX-Reduzierung<br />
liegen so nur eingeschränkt vor.<br />
Basierend auf dieser Ausgangslage wur<strong>de</strong> vom <strong>BFI</strong><br />
ein zweijähriges Forschungsprojekt zur Weiterentwicklung<br />
<strong>de</strong>r AOX-Messtechnik begonnen. Ziel <strong>de</strong>s<br />
Projektes ist die Ermittlung und Charakterisierung<br />
von Störstoffen sowie <strong>de</strong>r daraus resultieren<strong>de</strong>n<br />
notwendigen Anpassung <strong>de</strong>r Probenvorbereitung<br />
und Analysendurchführung. Die Einbeziehung<br />
wesentlicher Branchen <strong>de</strong>s produzieren<strong>de</strong>n<br />
Gewerbes, Normungsverbän<strong>de</strong> und Aufsichtsbehör<strong>de</strong>n<br />
in das Forschungsvorhaben trägt zu einer<br />
allgemein Akzeptanz bei und sichert die breite<br />
Ergebnisnutzung. Mit <strong>de</strong>n Forschungsergebnissen<br />
wird eine AOX-Messtechnik erwartet, die sichere<br />
und reproduzierbare Messergebnisse erbringt und<br />
somit <strong>de</strong>n Betrieben eine ein<strong>de</strong>utige Aussage über<br />
<strong>de</strong>ren Prozesswasserzusammensetzung erlaubt.<br />
analytical procedures. This leads to measurement<br />
errors, limited comparability of the measurement<br />
results, and ultimately a lack of accurate<br />
knowledge concerning the actual composition of<br />
the process water. There is little or no reliable<br />
information for assessing the effectiveness of<br />
treatment methods for reducing AOX levels.<br />
Based on this situation, <strong>BFI</strong> applied for funding<br />
for a two year research project to further <strong>de</strong>velop<br />
AOX measuring technology. The aim of this<br />
project is the <strong>de</strong>termination and characterisation<br />
of interfering substances and the resulting<br />
necessary adjustments to the sample preparation<br />
and analysis procedures. The inclusion of<br />
major branches of the manufacturing industry,<br />
standardisation organisations and regulatory<br />
authorities in the research project has helped to<br />
achieve general acceptance and will assure broad<br />
use of the results. The research work is expected<br />
to produce an AOX measuring technique that<br />
<strong>de</strong>livers reliable and reproducible measurement<br />
results, thus allowing plants and factories to draw<br />
clear conclusions about the composition of their<br />
process water.<br />
Neues Verfahren zur Entfernung von Partikeln<br />
aus Kühlwasserkreisläufen mit Starkfeldmagneten<br />
In <strong>de</strong>r eisen-, stahl- und metallverarbeiten<strong>de</strong>n<br />
Industrie erfolgt ein produktionsbedingter Eintrag<br />
von Zun<strong>de</strong>r und metallischen Partikeln in Kühlwasserkreisläufe.<br />
Zur Vermeidung von Ablagerungen und<br />
erhöhtem Verschleiß von Pumpen und Düsen müssen<br />
<strong>de</strong>r Zun<strong>de</strong>r und die metallischen Partikel entfernt<br />
wer<strong>de</strong>n. Im Allgemeinen wird Material mit einem<br />
Partikeldurchmesser größer 100 μm in Absetzbecken<br />
bzw. Partikel kleiner 100 µm (Feinzun<strong>de</strong>r) z. B. in<br />
Sandfiltern o<strong>de</strong>r Anschwemm-Filtrationseinheiten<br />
aus <strong>de</strong>m Kühlwasser entfernt. Anfallen<strong>de</strong>r Schlamm,<br />
bestehend aus Metallen (Wertstoff) und an<strong>de</strong>ren<br />
Partikeln, muss aufgrund <strong>de</strong>s Einsatzes von Filterhilfsmitteln<br />
kosten-intensiv entsorgt wer<strong>de</strong>n.<br />
Das <strong>BFI</strong> hat im Rahmen eines Forschungsvorhabens<br />
ein Verfahren auf Basis <strong>de</strong>r Starkfeldmagnetabscheidung<br />
zur Abtrennung von magnetisierbaren<br />
Partikeln (Zun<strong>de</strong>r, Metallabrieb) insbeson<strong>de</strong>re für<br />
Partikelgrößen zwischen 0,1 μm und 100 µm entwickelt.<br />
Hierzu wur<strong>de</strong>n die spezifischen betrieblichen<br />
Anfor<strong>de</strong>rungen unterschiedlicher verarbeiteter<br />
Werkstoffen u.a. E<strong>de</strong>lstahl, Werkzeugstahl, Baustahl,<br />
insbeson<strong>de</strong>re aus <strong>de</strong>m Bereich <strong>de</strong>s Warmwalzens,<br />
© VDEh-Betriebsforschungsinstitut GmbH<br />
New process for the removal of particles from<br />
cooling water systems with strong magnetic<br />
fields<br />
In the iron and steelmaking and metal processing<br />
industries, scale and metallic particles automatically<br />
find their way into cooling water circuits because of<br />
the nature of the production processes themselves.<br />
To avoid <strong>de</strong>posits and excessive wear on pumps<br />
and nozzles, the scale and metallic particles have<br />
to be removed. Generally, material with a particle<br />
diameter of greater than 100 μm is removed from<br />
the cooling water in sedimentation tanks, while<br />
particles smaller than 100 μm are trapped in silting<br />
filtration systems. The arising sludge, consisting of<br />
metals (valuable substances) and other particles,<br />
has to be disposed of at high cost because of the<br />
required filtration additives.<br />
In the course of a research project, <strong>BFI</strong> has <strong>de</strong>veloped<br />
a technique based on strong magnetic field<br />
separation to separate out magnetisable particles<br />
(scale, abra<strong>de</strong>d metal), particularly for particle<br />
sizes ranging between 0.1 μm and 100 µm. For<br />
this purpose, the specific processing requirements<br />
of different material gra<strong>de</strong>s, including stainless<br />
steel, tool steel, structural steel, especially from<br />
hot-rolling operations, were studied in terms of<br />
25
Energie- und Ressourcentechnik | Ressourcentechnologie<br />
in Bezug auf die Reinigungseffizienz (Abschei<strong>de</strong>gra<strong>de</strong><br />
über 90% bzw. 95%) sowie die Kühlwasserzusammensetzung<br />
und Zun<strong>de</strong>reigenschaften<br />
ermittelt. Basierend auf <strong>de</strong>n Ergebnissen erfolgte<br />
die Ermittlung <strong>de</strong>r geeigneten Magnetposition und<br />
– anzahl, <strong>de</strong>ren Eignung in Laborversuchen nachgewiesen<br />
wer<strong>de</strong>n konnten. Auf Grundlage <strong>de</strong>ssen<br />
erfolgten <strong>de</strong>r Bau und die Inbetriebnahme einer<br />
mobilen Versuchsanlage für einen Durchsatz von<br />
4,5 m³/h mit 20 Magneten, einem Düsensystem zur<br />
Magnetreinigung bzw. zum Zun<strong>de</strong>raustrag sowie<br />
einer Volumenstrom- und Trübemessung zum<br />
Einsatz im Bypass zu betrieblichen Kühlkreisläufen,<br />
Bild 17 und 18.<br />
In drei exemplarisch untersuchten betrieblichen<br />
Kühlwasserkreisläufen (verarbeitete Werkstoffe:<br />
E<strong>de</strong>lstahl, Werkzeugstahl, Baustahl) konnten<br />
mit <strong>de</strong>r mobilen Versuchsanlage Abschei<strong>de</strong>gra<strong>de</strong><br />
bis zu 98% in Abhängigkeit von <strong>de</strong>r Zun<strong>de</strong>rkonzentration<br />
im Kühlwasser erreicht wer<strong>de</strong>n. Des<br />
Weiteren konnten auch bei stark schwanken<strong>de</strong>n<br />
Zulaufkonzentrationen (Beispiel Baustahl: 132 mg/l<br />
bis 2.345 mg/l) konstante Ablaufkonzentrationen<br />
kleiner 85 mg/l erzielt wer<strong>de</strong>n. Die Aufkonzentrie-<br />
cleaning efficiency (separation rates of above 90%<br />
or 95%) as well as cooling water composition and<br />
scale characteristics. The results were used to<br />
<strong>de</strong>termine appropriate magnet positions and the<br />
number of magnets required, the suitability of<br />
the magnets themselves being <strong>de</strong>monstrated in<br />
laboratory tests. Based on these findings, a mobile<br />
pilot plant was constructed and put into operation.<br />
It is <strong>de</strong>signed to handle a flow rate of 4.5<br />
m³/h and has 20 magnets, a nozzle system for<br />
cleaning the magnets and evacuating scale, as<br />
well as a flow and turbidity measuring system<br />
and can be used in the bypass of cooling water<br />
circuits, Fig. 17 and 18.<br />
In three industrial cooling water circuits that<br />
were studied as representative examples (processed<br />
materials: stainless steel, tool steel, structural<br />
steel), the mobile test unit achieved separation<br />
rates of up to 98%, <strong>de</strong>pending on the concentration<br />
of scale in the cooling water. Moreover, even with<br />
highly fluctuating concentrations in the inflow<br />
(example: 132 mg/l to 2345 mg/l in the case of<br />
structural steel), a constant outflow concentration<br />
of less than 85 mg/l was achieved. The volumetric<br />
Bild / Figure 17<br />
Mobile Versuchsanlage im Betriebseinsatz<br />
Mobile pilot plant in operational use<br />
Bild / Figure 18<br />
Kühlwasserproben vor und nach <strong>de</strong>r Magnetabscheidung<br />
Cooling water samples before and after magnetic separation<br />
26 © VDEh-Betriebsforschungsinstitut GmbH
Energy and Resources | Resource Technology<br />
rungsfaktoren <strong>de</strong>r Partikel wur<strong>de</strong>n mit 130 bis 950<br />
ermittelt (Sandfilter: Faktor 10 bis 20). Der weiter<br />
zu behan<strong>de</strong>ln<strong>de</strong> Konzentratvolumenstrom bei <strong>de</strong>r<br />
Magnetabscheidung (Annahme: Aufkonzentrierungsfaktor:<br />
250) ist somit über Faktor 10 geringer<br />
als bei einer kontinuierlichen Sandfiltration, was<br />
zu erheblich geringeren Investitionskosten für eine<br />
Schlamm-Entwässerungseinheit führt.<br />
Bei Betrachtung eines zu behan<strong>de</strong>ln<strong>de</strong>n Volumenstroms<br />
von z.B. 500 m³/h weist die Magnetabscheidung<br />
einen Raumbedarf von 15 m² bis 20 m² im<br />
Vergleich zu 200 m² bis 300 m² bei Einsatz einer<br />
kontinuierlichen Sandfiltration auf. Eine Verwertung<br />
<strong>de</strong>s abgeschie<strong>de</strong>nen Zun<strong>de</strong>rs ist prinzipiell in<br />
Sinteranlage möglich, wobei je nach Anfor<strong>de</strong>rungen<br />
<strong>de</strong>s Verwerters eine Vorbehandlung (Entölung) <strong>de</strong>s<br />
abgeschie<strong>de</strong>nen Zun<strong>de</strong>rs vorzusehen ist.<br />
retention factor for the particles was <strong>de</strong>termined<br />
as 130 to 950 (sand filter: factor 10 to 20). The<br />
volumetric flow of concentrate requiring further<br />
processing after magnetic separation (assuming a<br />
volumetric retention factor of 250) is therefore 10<br />
times smaller than with continuous sand filtration,<br />
which significantly reduces the investment<br />
costs for a sludge <strong>de</strong>watering unit.<br />
For treating a flow rate of e.g. 500 m³/h, the<br />
magnetic separation system would have a footprint<br />
of only 15 to 20 m² compared with the 200 to 300<br />
m² nee<strong>de</strong>d for continuous sand filtration. The scale<br />
that has been separated out can in principle be<br />
recycled in sinter plants, although pretreatment<br />
(<strong>de</strong>-oiling) may be necessary, <strong>de</strong>pending on the<br />
user’s requirements.<br />
Kreislaufführung von Prozesswässern durch<br />
selektive Salzabtrennung<br />
Beim Betrieb von Gaswaschwasser-, Kühlwasserund<br />
Spülwasserkreisläufen erhöht sich die Salzkonzentration<br />
stetig. Dies ist einerseits auf <strong>de</strong>n<br />
Salzeintrag über Prozessgase, Beizsäuren und<br />
Chemikalien zur Wasserkonditionierung und<br />
an<strong>de</strong>rerseits auf die Wasserverdunstung zurück<br />
zu führen. Hohe Salzkonzentrationen verursachen<br />
Korrosion (Bild 19) und Ablagerungen an Produkten<br />
und in <strong>de</strong>n Leitungen. Um die Salzkonzentration<br />
niedrig zu halten, wird ein Teil <strong>de</strong>s Prozesswassers<br />
abgeschlämmt. Dies verursacht Kosten für<br />
Frischwasserversorgung sowie für Entsorgung von<br />
Abwässern und Schlämmen.<br />
In einem laufen<strong>de</strong>n europäischen Forschungsprojekt<br />
untersucht das <strong>BFI</strong> zusammen mit fünf Projektpart-<br />
Recycling of process waters through selective<br />
separation of salts<br />
During the operation of gas scrubbing water,<br />
cooling water and rinsing water circuits, a steady<br />
increase in salt concentration can be observed.<br />
This is due on the one hand to salt being entrained<br />
via process gases, pickling acids and water conditioning<br />
chemicals and on the other hand to evaporation<br />
of the water. High salt concentration levels<br />
cause corrosion (Fig. 19) and <strong>de</strong>posits on products<br />
and in piping networks. In or<strong>de</strong>r to keep the salt<br />
concentration down, part of the process water is<br />
purged. This generates costs for replenishment<br />
with fresh water and for the disposal of the waste<br />
water and sludges.<br />
In an ongoing European research project named,<br />
<strong>BFI</strong> and five project partners from research and<br />
Bild / Figure 19<br />
Korrosion in einem Rohr aus einem Kühlwasserkreislauf<br />
Corrosion in a pipe from a cooling circuit<br />
© VDEh-Betriebsforschungsinstitut GmbH<br />
27
Energie- und Ressourcentechnik | Ressourcentechnologie<br />
nern aus Forschung und Industrie Möglichkeiten<br />
zur Vermin<strong>de</strong>rung <strong>de</strong>s Frischwasserbedarfes und<br />
<strong>de</strong>s Abwasseranfalls durch die Minimierung <strong>de</strong>s<br />
Salzeintrags in die Prozesswasserkreisläufe und eine<br />
selektive Salzabtrennung. Das Ziel <strong>de</strong>s Projektes ist<br />
die Entwicklung von innovativen Konzepten für die<br />
nachhaltige Wasser- und Infrastrukturbewirtschaftung<br />
in <strong>de</strong>r europäischen Stahlindustrie.<br />
Aktueller Stand in <strong>de</strong>r Stahlindustrie ist eine<br />
zentralisierte Behandlung von verschie<strong>de</strong>nen<br />
Abwässern mit anschließen<strong>de</strong>r Ableitung. Laborversuche<br />
haben gezeigt, dass solche Mischabwässer<br />
kaum wie<strong>de</strong>rverwen<strong>de</strong>t wer<strong>de</strong>n können. Durch<br />
eine frühzeitige Trennung konzentrierter und<br />
schwach belasteter Prozesswässer kann sowohl die<br />
Wie<strong>de</strong>rverwendung <strong>de</strong>s Wassers als auch Rückgewinnung<br />
von reinen Salzen erreicht wer<strong>de</strong>n.<br />
Eine direkte Wie<strong>de</strong>rverwendung <strong>de</strong>s Abwassers<br />
im gleichen System ist in <strong>de</strong>r Regel möglich. Die<br />
Wie<strong>de</strong>rverwendung von Gaswaschwässern kann<br />
z.B. durch eine Umkehrosmose o<strong>de</strong>r Verdampfung<br />
(Bild 20) o<strong>de</strong>r durch einen Ionentausch erfolgen.<br />
Zur Vermin<strong>de</strong>rung <strong>de</strong>s Salzeintrags in Spülwässer<br />
von Beizlinien wur<strong>de</strong>n bei Industriepartnern<br />
Maßnahmen zur Trennung von konzentrierten und<br />
schwach belasteten Strömen sowie ein verbessertes<br />
Regenerationssystem für gebrauchte Säure wirtschaftlich<br />
umgesetzt. Im weiteren Projektverlauf wer<strong>de</strong>n<br />
betriebliche Tests zur Ermittlung <strong>de</strong>r Frischwasserund<br />
Säureeinsparung durch diese Maßnahmen<br />
industry are investigating the possibilities for<br />
reducing the fresh water requirement and the<br />
volume of waste water by minimising the amount<br />
of salts entrained into process water circuits and<br />
through selective salt separation. The aim of<br />
the project is to <strong>de</strong>velop innovative concepts for<br />
sustainable water and infrastructure management<br />
in the European steel industry.<br />
The status quo in the steel industry is to have<br />
centralised treatment of different waste water<br />
streams with discharge after treatment. Laboratory<br />
tests have shown that such mixed types of waste<br />
water can hardly ever be reused. By separating<br />
process water streams with a high concentration<br />
and a weak concentration at an early stage and it<br />
is possible not only to reuse the water but also to<br />
recover pure salts. It is also generally possible to<br />
feed the waste water back into the same system.<br />
The water from gas scrubbers, for example, can be<br />
reused after treatment using reverse osmosis or<br />
evaporation (Fig. 20) or ion exchange techniques.<br />
To avoid the entrainment of salts into the rinsing<br />
baths of pickling lines, the industrial partners have<br />
implemented cost-effective measures to separate<br />
streams with high and low concentrations as well<br />
as an improved regeneration system for spent<br />
acids. Further project work will focus on tests<br />
to <strong>de</strong>termine how much fresh water and acid is<br />
saved by these measures. In addition, field tests<br />
Bild / Figure 20<br />
Vakuum<strong>de</strong>stillation eines salzhaltigen Prozesswassers (rechter Kolben) in einem Rotationsverdampfer<br />
Vacuum distillation of salt containing process water (right flask) in a rotary evaporator<br />
28 © VDEh-Betriebsforschungsinstitut GmbH
Energy and Resources | Resource Technology<br />
durchgeführt. Weiterhin sind Betriebsversuche<br />
zur Wie<strong>de</strong>rverwendung von Spülwassern aus <strong>de</strong>r<br />
Oberflächenbehandlung mit Hilfe <strong>de</strong>r Umkehrosmose<br />
mit anschließen<strong>de</strong>r Kosten-Nutzen-Analyse geplant.<br />
have been planned to investigate the reusability<br />
of rinsing water from surface treatment lines<br />
with the help of reverse osmosis. These will be<br />
followed by a cost-benefit analysis.<br />
Wertmetallrückgewinnung aus festen und<br />
flüssigen Abfällen von E<strong>de</strong>lstahlbeizlinien<br />
Eigenschaften und Qualität von E<strong>de</strong>lstählen<br />
hängen sowohl von <strong>de</strong>r Materialzusammensetzung,<br />
<strong>de</strong>r Verformung bei <strong>de</strong>r Verarbeitung als auch von<br />
<strong>de</strong>r Oberflächenqualität ab, die im Wesentlichen<br />
durch das Beizen bestimmt wird. In Beizprozessen<br />
<strong>de</strong>r E<strong>de</strong>lstahlindustrie entstehen bei <strong>de</strong>r<br />
Neutralisation von Altsäuren große Mengen an<br />
Neutralisationsschlämmen, die erhebliche Mengen an<br />
Wertmetallen, insbeson<strong>de</strong>re Nickel, enthalten. Allein<br />
in Europa wer<strong>de</strong>n so jährlich mehr als 2500 t/a Nickel<br />
mit einem Wert von ca. 40 Millionen €/a <strong>de</strong>poniert.<br />
Ziel <strong>de</strong>r Untersuchungen ist daher die Rückgewinnung<br />
von Nickel aus flüssigen und festen Abfällen<br />
<strong>de</strong>r Beizprozesse und die Weiternutzung in <strong>de</strong>r<br />
E<strong>de</strong>lstahlindustrie mit <strong>de</strong>m Ziel <strong>de</strong>r Minimierung<br />
<strong>de</strong>s Rohstoffverbrauchs bei <strong>de</strong>r E<strong>de</strong>lstahlerzeugung.<br />
Zwei Prozessrouten wer<strong>de</strong>n untersucht, wobei<br />
sowohl klassische Beizsäuren auf Basis von Salpetersäure/Flusssäure<br />
als auch Salpetersäure freie<br />
Beizen betrachtet wer<strong>de</strong>n.<br />
Recovery of valuable metals from solid and<br />
liquid wastes from stainless steel pickling lines<br />
The properties of stainless steel gra<strong>de</strong>s <strong>de</strong>pend<br />
not only on the material composition, the <strong>de</strong>gree<br />
of <strong>de</strong>formation during processing but also on the<br />
surface quality, which is to a large extent <strong>de</strong>termined<br />
by pickling. The neutralisation of spent<br />
pickling acids from the stainless steels industry<br />
results in large volumes of sludges which contain<br />
consi<strong>de</strong>rable amounts of valuable metals, in particular<br />
nickel. In Europe alone, more than 2.500 t/a<br />
of nickel with a value of approx. 40 million €/a<br />
are disposed of in landfills.<br />
The aim of the studies is to recover nickel from<br />
liquid and solid wastes from pickling processes<br />
for reuse in the stainless steels industry with a<br />
view to minimising resource consumption during<br />
stainless steel production. Two process routes are<br />
being investigated while consi<strong>de</strong>ring both, classic<br />
pickling acids based on nitric acid / hydrofluoric<br />
acid and pickling without nitric acid.<br />
Bild / Figure 21<br />
Aufnahme <strong>de</strong>s Nickelgehalts von Altsäure und Neutralisationsschlamm in einem Kaltwalzwerk<br />
Recording of the nickel content in spent acids and the neutralisation sludge in a cold-rolling mill<br />
© VDEh-Betriebsforschungsinstitut GmbH<br />
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Energie- und Ressourcentechnik | Ressourcentechnologie<br />
Altsäureroute, bestehend aus<br />
– Retardation<br />
– Erster Fällungsstufe (Fällung <strong>de</strong>r Nicht-<br />
Nickelionen)<br />
– Reinigung und Konzentrierung <strong>de</strong>r verbleiben<strong>de</strong>n<br />
Nickel haltigen Lösung<br />
– Zweiter Fällungsstufe zur Erzeugung eines<br />
Nickel reichen Schlamms<br />
– Brikettierung <strong>de</strong>s Nickel reichen Schlamms zur<br />
Weiternutzung in <strong>de</strong>r Stahlerzeugung<br />
Neutralisationsschlammroute, bestehend aus<br />
– Selektiver Nickellaugung<br />
– Filtration und pH-Einstellung<br />
– Extraktion<br />
– Elektrolytischer Nickelabscheidung zur Weiternutzung<br />
in <strong>de</strong>r Stahlerzeugung<br />
Spent acid route, consisting of<br />
– Retardation<br />
– First precipitation stage (precipitation of nonnickel<br />
ions),<br />
– Cleaning and concentration of the remaining<br />
nickel containing solution<br />
– Second precipitation stage to produce a nickel<br />
enriched sludge<br />
– Briquetting of the nickel-enriched sludge for<br />
further use in steel production.<br />
Neutralisation sludge route, consisting of<br />
– Selective nickel leaching,<br />
– Filtration and pH adjustment<br />
– Extraction<br />
– Electro<strong>de</strong>position of nickel for reuse in steel<br />
production<br />
Verschie<strong>de</strong>ne Arbeiten zu Einsatz, Behandlung<br />
und Kreislaufführung flüssiger Medien<br />
Neben nationalen und internationalen Forschungsvorhaben<br />
wur<strong>de</strong>n Optimierungsarbeiten und<br />
Problemlösungen für verschie<strong>de</strong>ne betriebliche<br />
Fragestellungen zu Einsatz, Behandlung und<br />
Kreislaufführung flüssiger Medien im Rahmen<br />
von Auftragsuntersuchungen erfolgreich durchgeführt,<br />
wie z. B.<br />
– Rückgewinnung von Hartmetallphasen aus<br />
Reststoffen mittels anorganischer Säuren<br />
– Rückgewinnung von metallischen Wertstoffen<br />
durch Laugung<br />
– Einsatz und Anpassung <strong>de</strong>r kontinuierlichen<br />
Inline-Messung <strong>de</strong>r Polymerkonzentration in<br />
einem betrieblichen Abschreckprozess<br />
– Optimierung <strong>de</strong>r Behandlung sulfathaltiger<br />
Prozesswässer<br />
– Betreuung von betrieblichen Analysesystemen<br />
zur Bestimmung <strong>de</strong>r Metall- und Säurekonzentration<br />
in Beizbä<strong>de</strong>rn<br />
– Erweiterung und Effizienzsteigerung von Beizanlagen<br />
– Neukonzeption und Optimierung von Neutralisationsanlagen<br />
– Behandlung von Gaswaschwasser zur Kreislaufführung<br />
– Einsatz <strong>de</strong>r Mikrowellentechnik im Bereich<br />
<strong>de</strong>r Emulsionsanalytik<br />
– Verringerung <strong>de</strong>s Kühlwasserverbrauchs durch<br />
prozessinterne Abwärmenutzung<br />
– Betriebliche Betreuung von Prozesswasserbehandlungsanlagen<br />
(Neutralisation, biologische<br />
Behandlungsanlage)<br />
Various projects relating to the use, treatment<br />
and closed-loop operation of liquid media<br />
Alongsi<strong>de</strong> national and international research<br />
projects, activities inclu<strong>de</strong>d successful optimisation<br />
and problemsolving work within the context<br />
of contract assignments <strong>de</strong>aling with various<br />
industrial issues regarding the use, treatment and<br />
closedloop operation of liquid media. Examples<br />
of this are:<br />
– Recovery of carbi<strong>de</strong> phases from residuals<br />
with the aid of inorganic acids<br />
– Recovery of metallic materials by leaching<br />
– Use and adaptation of continuous inline<br />
measurement of polymer concentrations in<br />
an industrial quenching process<br />
– Optimisation of treatment of sulphatecontaining<br />
process waters<br />
– Monitoring/management of industrial analytical<br />
systems for <strong>de</strong>termining the metal and<br />
acid concentrations in pickling baths<br />
– Expansion and efficiency boosting of pickling<br />
lines<br />
– New <strong>de</strong>sign and optimisation of neutralisation<br />
lines<br />
– Treatment of gas scrubbing water for closedcircuit<br />
operation<br />
– Use of microwave technology for emulsion<br />
analytics<br />
– Reduction of cooling water consumption<br />
through inprocess use of waste heat<br />
– Onsite management/monitoring of process<br />
water treatment lines (neutralisation, biological<br />
treatment plants)<br />
– Treatment and <strong>de</strong>watering of thin sludges<br />
30 © VDEh-Betriebsforschungsinstitut GmbH
Energy and Resources | Resource Technology<br />
– Behandlung und Entwässerung von Dünnschlämmen<br />
– Entfernung von Chlorid aus Spülwässern zur<br />
Kreislaufführung<br />
– Optimierung <strong>de</strong>r Öl- und Feststoffabscheidung<br />
aus Kühlwasser<br />
– Removal of chlori<strong>de</strong> from rinsing waters to<br />
allow closedcircuit operation<br />
– Optimisation of oil and solids separation from<br />
cooling water<br />
Verschie<strong>de</strong>ne Arbeiten zu Prozesschemie und<br />
Ressourcentechnologie Einsatzstoffe<br />
Neben nationalen und internationalen Forschungsvorhaben<br />
wur<strong>de</strong>n Optimierungsarbeiten und<br />
Problemlösungen für verschie<strong>de</strong>ne betriebliche<br />
Fragestellungen zur Prozesschemie und Metallurgie<br />
sowie <strong>de</strong>r Nutzung alternativer Einsatzstoffe<br />
inklusive einer geeigneten Materialvorbereitung im<br />
Rahmen von Auftragsuntersuchungen erfolgreich<br />
durchgeführt, wie z. B.:<br />
– Bin<strong>de</strong>mittel für Pelletierung von Reststoffen<br />
<strong>de</strong>r TiO 2<br />
-Produktion<br />
– Bin<strong>de</strong>mittel für Pelletierung von Petrolkoks<br />
– Herstellung von DRI aus Eisenoxidrückstän<strong>de</strong>n<br />
– Kaltgebun<strong>de</strong>ne DRI-Pellets aus Eisenoxi<strong>de</strong>n<br />
– Magnetseparationsversuche von aufgemahlener<br />
LD-Schlacke<br />
– Sintern von Schwefelkiesabbrand<br />
– Vanadiumrückgewinnung aus Filterstaub<br />
– Rückgewinnung von Gold, Silber und Kupfer<br />
aus Schwefelkiesabbrand<br />
– Eisengewinnung aus Schwefelkiesabbrand<br />
– Wertstoffrückgewinnung aus Verbrennungsasche<br />
– Alternative Nutzung von Kuppelgasen <strong>de</strong>r<br />
Eisen- und Stahlindustrie<br />
Various assignments on process chemistry and<br />
Resource technology for input materials<br />
Alongsi<strong>de</strong> national and international research<br />
projects, activities inclu<strong>de</strong>d successful optimisation<br />
and problem-solving work within the context<br />
of contract assignments <strong>de</strong>aling with various<br />
industrial issues regarding process chemistry and<br />
metallurgy, as well as the use of alternative input<br />
materials, including the appropriate material<br />
preparation or conditioning. Examples of this are:<br />
– Bin<strong>de</strong>rs for pelletising residuals in TiO 2<br />
production<br />
– Bin<strong>de</strong>rs for pelletising petroleum coke<br />
– Producing DRI from iron oxi<strong>de</strong> residuals<br />
– Cold-bound DRI pellets from iron oxi<strong>de</strong>s<br />
– Magnetic separation tests on ground LD slag<br />
– Sintering of pyrite cin<strong>de</strong>r<br />
– Recovery of vanadium from filter dust<br />
– Recovery of gold, silver and copper from<br />
pyrite cin<strong>de</strong>r<br />
– Recovery of iron from pyrite cin<strong>de</strong>r<br />
– Recovery of valuable substances from combustion<br />
ashes<br />
– Alternative utilisation of off-gases from the<br />
iron and steelmaking industry<br />
Agglomeration von feinkörnigen Roh- und<br />
Reststoffen und Einsatz im Sinterprozess<br />
Zukünftig müssen größere Anteile von Feinerzen<br />
und Recycling-Materialien mit geringer Qualität,<br />
d.h. mit feineren Partikeln, breiteren Größenverteilungen,<br />
niedrigerer Qualität und höherer<br />
Variation <strong>de</strong>r Eigenschaften verarbeitet wer<strong>de</strong>n.<br />
Um die Wettbewerbsfähigkeit und Nachhaltigkeit<br />
zu gewährleisten, muss die Stahlindustrie geeignete<br />
Aufbereitungsverfahren entwickeln, damit diese<br />
Erze und Recycling-Materialien in <strong>de</strong>r Sinteranlage<br />
eingesetzt und hohe Sinter-Qualitäten und<br />
Produktivitäten erreicht wer<strong>de</strong>n können.<br />
Unter diesen Voraussetzungen wer<strong>de</strong>n in einem<br />
Forschungsprojekt die Eigenschaften von Feinerzen,<br />
Recycling-Materialien und Bin<strong>de</strong>mitteln untersucht<br />
und Aufbereitungsverfahren entwickelt, um diese<br />
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Agglomeration of fine-grained input materials<br />
and residuals and use in the sintering process<br />
In the future, production operations will have<br />
to work with fine ores and recycled materials of<br />
poorer quality, i.e. with finer particles, broa<strong>de</strong>r<br />
size distribution ranges, poorer and more wi<strong>de</strong>ly<br />
varying characteristics. In or<strong>de</strong>r to assure its<br />
competitiveness and sustainability, the steel<br />
industry must <strong>de</strong>velop suitable techniques to<br />
dress and use these ores and recycled materials<br />
in the sinter plant while also achieving a high<br />
quality of sintering and a high level of productivity.<br />
Within the scope of an project, several fine<br />
ores, recycled materials as well as bin<strong>de</strong>rs are<br />
being analysed and treatment processes are being<br />
investigated, in or<strong>de</strong>r to enable the production of<br />
31
Energie- und Ressourcentechnik | Ressourcentechnologie<br />
Einsatzstoffe im Sinterprozess optimal zu nutzen.<br />
Dazu wer<strong>de</strong>n Konzentrate als auch Recyclingmaterialien<br />
wie z.B. Gicht- und Gießhallenstäube<br />
<strong>de</strong>tailliert charakterisiert, d.h. spezifische Oberflächen,<br />
Porosität, Wasseraufnahme, Formfaktoren,<br />
Benetzbarkeiten analysiert, um daraus<br />
Eigenschaften für die Aufbereitung und die<br />
Agglomeration abzuleiten. Analog wer<strong>de</strong>n die<br />
Eigenschaften ausgewählter, organischer Bin<strong>de</strong>mittel<br />
hinsichtlich ihrer Wirkung auf die Agglomeration<br />
charakterisiert. Selektive Misch- und<br />
Agglomerationsuntersuchungen wer<strong>de</strong>n durchgeführt<br />
und die Aufbereitung anhand u.a. von<br />
Schüttgutpermeabilitäten, Agglomeratformanalysen<br />
und -größenverteilungen und -festigkeiten beurteilt.<br />
Zusätzlich wer<strong>de</strong>n in Sinterversuchen auch die<br />
Auswirkungen auf <strong>de</strong>n Sinterprozess untersucht.<br />
Die Forschungsergebnisse wer<strong>de</strong>n genutzt, um<br />
durch die selektive Vorbehandlung von Feinerzen<br />
und Recycling-Materialien mit geringer Qualität<br />
hochwertigen Sinter herzustellen.<br />
high-quality sinter through selective pretreatment.<br />
To this end, concentrates and recycled materials,<br />
such as top gas and casting shop dusts are<br />
being characterised in <strong>de</strong>tail by analysing their<br />
specific surfaces, porosity levels, water retention,<br />
shape factors, and wettability, etc., in or<strong>de</strong>r to<br />
i<strong>de</strong>ntify properties for the treatment process,<br />
i.e. agglomeration. Similarly, the properties of<br />
selected organic bin<strong>de</strong>rs are being characterised<br />
to <strong>de</strong>termine their effect on agglomeration. Selective<br />
mixing and agglomeration studies are being<br />
conducted and the results assessed in terms of<br />
permeability, agglomerate shape analyses and size<br />
distributions, as well as bulk <strong>de</strong>nsity values, in<br />
or<strong>de</strong>r to be able to <strong>de</strong>scribe how they influence<br />
behaviour during the pretreatment process and<br />
the resulting effects on the sintering process.<br />
The research results will then be used to enable<br />
the selective pretreatment of materials for the<br />
production of high-quality sinter.<br />
Neues Koksprodukt zur Verbesserung <strong>de</strong>r Nachhaltigkeit<br />
beim Betrieb von Kleinschachtöfen<br />
Der Betrieb von Kleinschachtöfen erfor<strong>de</strong>rt<br />
Steinkohlenstückkoks, <strong>de</strong>r auf internationalen<br />
Rohstoffmärkten eingekauft wird. Infolge <strong>de</strong>r Kokspreiserhöhung<br />
ist die Versorgungssicherheit für die<br />
Kleinschachtöfen stark beeinträchtigt, weshalb ein<br />
Bedarf an kostengünstigen Koksersatzprodukten<br />
besteht. Wesentliches Ziel dieses Forschungsprojektes<br />
war es, ein neues und preisgünstiges Brikett<br />
auf Braunkohlenkoksbasis zu entwickeln. Dabei<br />
wur<strong>de</strong> in einer Gemeinschaftsarbeit mit Beteiligung<br />
New coke product aimed at improving<br />
sustainability in small shaft furnace operations<br />
Small shaft furnace operations require lumpy<br />
hard coal coke which is purchased on international<br />
commodities markets. Since the price<br />
of coke has increased, the continuity of supplies<br />
for small shaft furnaces is strongly compromised<br />
and this has created a need for production of less<br />
costly coke substitute products. The main aim of<br />
this research project was to <strong>de</strong>velop a new and<br />
inexpensive briquette based on lignite coke. In<br />
collaborative work involving industrial partners<br />
Bild / Figure 22<br />
Charakterisierung eines Gichtstaubagglomerates<br />
Characterisation of a top gas dust agglomerate<br />
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Energy and Resources | Resource Technology<br />
von Industriepartnern und einer Universität ein<br />
Verfahren zur Herstellung von Braunkohlenkokssteinen,<br />
Bild 23 entwickelt und <strong>de</strong>ren Eignung im<br />
Kleinschachtofen betrieblich erpobt.<br />
In umfangreichen Labor- und Technikumsarbeiten<br />
wur<strong>de</strong>n zunächst geeignete Rezepturen für die Herstellung<br />
von Kokssteinen entwickelt, die <strong>de</strong>n Min<strong>de</strong>stanfor<strong>de</strong>rungen<br />
für <strong>de</strong>n Schachtofenbetrieb entsprechen. Die<br />
Steine wur<strong>de</strong>n dabei aus Braunkohlen-Herdofenkoks<br />
unter Verwendung mineralischer Bin<strong>de</strong>mittel hergestellt.<br />
Die Untersuchungen zur Rezepturermittlung<br />
haben gezeigt, dass neben einer dichten Packung<br />
<strong>de</strong>s Partikelgemenges die Auswahl eines geeigneten<br />
Zementes von entschei<strong>de</strong>n<strong>de</strong>r Be<strong>de</strong>utung für die<br />
Eigenschaften <strong>de</strong>s hergestellten Kokssteines ist.<br />
Darüber hinaus konnte auch eine positive Wirkung<br />
von zementsparen<strong>de</strong>n Zusätzen festgestellt wer<strong>de</strong>n.<br />
Die Untersuchungen mittels modifizierten RuL-Tests<br />
haben klar gezeigt, dass die einfach zu bestimmen<strong>de</strong><br />
Kaltdruckfestigkeit allein kein ausreichen<strong>de</strong>s Qualitätskriterium<br />
für einen Koksstein ist, <strong>de</strong>r für einen<br />
Einsatz im Kleinschachtofen in Frage kommt.<br />
Mit einer auf <strong>de</strong>r Basis <strong>de</strong>r Ergebnisse <strong>de</strong>r Labor- und<br />
Technikumsuntersuchungen ermittelten Rezeptur<br />
wur<strong>de</strong>n in einer Steinfabrik Versuchschargen für<br />
die Betriebserprobung hergestellt und in zwei unterschiedlichen<br />
Kleinschachtofenanlagen erfolgreich<br />
erprobt, Bild 24. Bis zu 9,0% Kohlenstoffäquivalente<br />
<strong>de</strong>s eingesetzten Steinkohlenkokses lassen sich<br />
problemlos durch das neue Braunkohlenkoksprodukt<br />
ersetzen. Ein negativer Einfluss auf die relevanten<br />
Betriebsparameter <strong>de</strong>r Kleinschachtofenanlagen<br />
wur<strong>de</strong> nicht festgestellt. Entschei<strong>de</strong>nd für eine<br />
Anwendung <strong>de</strong>r neuen Braunkohlenkokssteine sind<br />
ein maximaler Kohlenstoffanteil in <strong>de</strong>n Kokssteinen<br />
sowie eine ausreichen<strong>de</strong> Festigkeit.<br />
and a university, a method for producing lignite<br />
coke briquettes was <strong>de</strong>veloped, Fig. 23, and the<br />
suitability of these briquettes for use in small<br />
shaft furnaces then tested in the field.<br />
Extensive lab and pilot plant work was performed<br />
to establish suitable formulations for producing<br />
coke briquettes that would meet the minimum<br />
requirements for shaft furnace operation. The<br />
briquettes were ma<strong>de</strong> of lignite coal hearth furnace<br />
coke and mineral bin<strong>de</strong>rs. The investigations on<br />
formulations revealed that, besi<strong>de</strong>s <strong>de</strong>nse packing<br />
of particles, the choice of cement is of <strong>de</strong>cisive<br />
importance in <strong>de</strong>termining the properties of the<br />
produced coke briquettes. Furthermore additives<br />
that helped to save on cement were found to have<br />
a positive effect. Studies using a modified RUL<br />
test showed that the cold compressive strength,<br />
which is easy to <strong>de</strong>termine, is not an a<strong>de</strong>quate<br />
quality criterion for a coke briquette that is to<br />
be used in small shaft furnaces.<br />
With a formulation based on the results of the lab<br />
and pilot plant work, test batches were produced<br />
in a briquetting factory for field trails and successfully<br />
tested in two different small shaft furnaces,<br />
Fig. 24. Up to 9.0% carbon equivalent of the hard<br />
coal coke charged could be replaced by the new<br />
lignite coke product without any problems being<br />
encountered. There were no <strong>de</strong>tectable negative<br />
effects on the relevant operating parameters of the<br />
small shaft furnaces. Essential factors governing<br />
the use of the new lignite coke briquettes are a<br />
maximum percentage of carbon in the briquettes<br />
and sufficient strength.<br />
Bild / Figure 23<br />
Koksstein<br />
Coke briquette<br />
Bild / Figure 24<br />
Einsatz <strong>de</strong>r Kokssteine im Kleinschachtofen<br />
Use of the coke briquettes in small shaft furnaces<br />
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33
Energie- und Ressourcentechnik | Wärme- und Verbrennungstechnik<br />
Wärmestellenarbeiten<br />
Die Anfor<strong>de</strong>rungen an wärmetechnische Anlagen<br />
steigen kontinuierlich, beson<strong>de</strong>rs im Hinblick auf<br />
Fragen <strong>de</strong>r rationellen Energieausnutzung und<br />
Leistungssteigerung. Das <strong>BFI</strong> bietet in diesem<br />
Themenfeld eine Reihe von Dienstleistungen an,<br />
beispielsweise:<br />
– Ofenabnahmen,<br />
– Studien für Schmelz-, Wärm- und Wärmebehandlungsöfen,<br />
– Erstellung von Wärmebilanzen,<br />
– Kalibrierung und Überprüfung <strong>de</strong>r Betriebsmesseinrichtungen,<br />
– Messung <strong>de</strong>r Nutzguttemperatur und Son<strong>de</strong>rmessungen.<br />
Zur Optimierung <strong>de</strong>r Guterwärmung im Ofen<br />
ist beispielsweise die Kenntnis <strong>de</strong>s örtlichen und<br />
zeitlichen Verlaufs <strong>de</strong>r Temperatur im Nutzgut<br />
nötig. Das <strong>BFI</strong> setzt hierfür mo<strong>de</strong>rne Messtechnik<br />
ein, die auf <strong>de</strong>n jeweiligen betrieblichen Einsatzfall<br />
abgestimmt wird. Bild 25 zeigt beispielhaft einen mit<br />
Thermoelementen bestückten Versuchsblock bei <strong>de</strong>r<br />
Erwärmung im Ofen. Die gewonnenen Ergebnisse<br />
dienen als Ausgangspunkt für die Optimierung <strong>de</strong>s<br />
Ofenbetriebs und stellen ein wichtiges Element im<br />
Qualitätsmanagement <strong>de</strong>s Betriebs dar.<br />
Direkte Vorteile für <strong>de</strong>n Betreiber liegen in einer<br />
verbesserten Prozeßtransparenz und –effizienz.<br />
Hieraus resultieren Energieeinsparungen und durch<br />
die verringerten Temperatur-Abweichungen im<br />
Nutzgut Qualitätsvorteile. Weiterhin sind diese<br />
Fuel <strong>de</strong>partment activities<br />
The <strong>de</strong>mands being ma<strong>de</strong> on high-temperature<br />
installations are continuously rising, particularly<br />
with respect to efficient use of energy and<br />
enhanced performance. In this area, <strong>BFI</strong> offers<br />
a number of services, such as:<br />
– furnace inspections<br />
– studies relating to melting, reheating and<br />
heat treatment furnaces<br />
– preparation of heat balances<br />
– calibration and monitoring of industrial<br />
measuring equipment<br />
– measurement of charge material temperature,<br />
and special measurements<br />
To achieve optimal heating of the charge material<br />
in the furnace, for example, it is essential to<br />
know how the temperature in the charge material<br />
varies locally over time. <strong>BFI</strong> uses advanced<br />
measuring technology to <strong>de</strong>termine this, which<br />
is adapted as necessary to suit the specific shop<br />
conditions. Fig. 25 shows, as an example, a test<br />
ingot fitted with thermocouples being heated<br />
in a furnace. The accumulated data serve as a<br />
starting point for optimizing the mo<strong>de</strong> of furnace<br />
operation and represent an important element<br />
in managing operational quality.<br />
The direct advantages for the operator are<br />
improved process transparency and efficiency.<br />
These lead to energy savings and quality benefits<br />
thanks to the reduction in temperature variations<br />
in the charge material. The measurements are<br />
Bild / Figure 25<br />
Messung <strong>de</strong>r Blockerwärmung im Wärmofen<br />
Measurement of ingot heating in a reheating furnace<br />
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Energy and Resources | Heat and Combustion Technolgies<br />
Messungen ein wichtiges Element zur steten Überprüfung<br />
<strong>de</strong>r zugesicherten und erfor<strong>de</strong>rlichen<br />
Eigenschaften von Thermoprozessanlagen.<br />
also a key instrument for continuous monitoring<br />
of the warranted and required characteristics of<br />
thermoprocessing plant and equipment.<br />
Neues Rohrregenerator-Brenner-System ROREBS<br />
zur Steigerung <strong>de</strong>r Energieeffizienz an Industrieöfen<br />
In einem Verbundvorhaben mit einem Brennerhersteller<br />
und mehreren Schmie<strong>de</strong>werken wur<strong>de</strong><br />
vom <strong>BFI</strong> ein neues Rohr-Regenerator-Brenner-System<br />
(ROREBS) zur Steigerung <strong>de</strong>r Energieeffizienz an<br />
Industrieöfen bei Hochtemperatur entwickelt<br />
und betrieblich erprobt. Das neue System basiert<br />
auf einem Flachflammenbrenner mit innovativer<br />
Brennlufteindüsung und Drallbildung sowie einem<br />
kompakten Regenerator. Das ganze System ist<br />
New tubular regenerator burner system ROREBS<br />
for increasing the energy efficiency in industrial<br />
furnaces<br />
In a joint project with a burner manufacturer<br />
and several forging enterprises, <strong>BFI</strong> has <strong>de</strong>veloped<br />
a new tubular regenerator burner system<br />
(ROREBS) for increasing the energy efficiency of<br />
industrial furnaces at high temperatures and tested<br />
this un<strong>de</strong>r shop conditions. The new system is<br />
based on a laminar-flow burner with innovative<br />
combustion air injection and swirl generation<br />
as well as a compact regenerator. The complete<br />
Bild / Figure 26<br />
Herdwagenschmie<strong>de</strong>öfen mit herkömmlicher Beheizung und mit ROREBS im Vergleich<br />
Comparison of bogie hearth forging furnaces with conventional heating and with ROREBS<br />
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35
Energie- und Ressourcentechnik | Wärme- und Verbrennungstechnik<br />
für <strong>de</strong>n Dauereinsatz bei Hochtemperatur konzipiert<br />
und wur<strong>de</strong> im Technikum und an mehreren<br />
Wärmöfen erfolgreich eingesetzt.<br />
Im Vergleich zur herkömmlichen rekuperativen<br />
Wärmerückgewinnung wer<strong>de</strong>n mit <strong>de</strong>m ROREBS<br />
eine Brennluftvorwärmung von rd. 1.000°C und<br />
eine Brennstoffeinsparung von rd. 30% erreicht.<br />
Das gilt sowohl für <strong>de</strong>n Betrieb mit Erdgas als<br />
auch mit Prozessgasen. Des Weiteren ist die Beheizungsqualität<br />
hoch geblieben, was das beson<strong>de</strong>re<br />
Auslegungsziel für die Entwicklung <strong>de</strong>s Flachflammenbrenners<br />
war.<br />
Bild 26 zeigt die Situation beim Vergleichstest<br />
von zwei 250t-Herdwagenschmie<strong>de</strong>öfen mit<br />
herkömmlicher rekuperativer Beheizung und <strong>de</strong>m<br />
neuen ROREBS. Der Gasverbrauch ist während <strong>de</strong>r<br />
gesamten Ofenreise bei <strong>de</strong>m ROREBS niedriger und<br />
in Summe wer<strong>de</strong>n 30% eingespart.<br />
Weitere Einsatzfälle <strong>de</strong>s ROREBS für die Deckenbeheizung<br />
o<strong>de</strong>r in Wärmebehandlungsäfen wer<strong>de</strong>n<br />
<strong>de</strong>rzeit erarbeitet, siehe Bild 27.<br />
system was <strong>de</strong>signed for continuous use at high<br />
temperatures and has been successfully used not<br />
only in the technical centre but also in several<br />
reheating furnaces.<br />
Compared with conventional recuperative heat<br />
recovery, the ROREBS system enables preheating of<br />
combustion air by about 1000°C and fuel savings<br />
of about 30%. This applies to operation with<br />
natural gas or with process gases. Furthermore,<br />
the heating performance remains high, which<br />
was the special <strong>de</strong>sign and <strong>de</strong>velopment aim for<br />
the laminar-flow burner.<br />
Figure 26 shows the situation in a comparative<br />
test involving two 250t bogie hearth forging<br />
furnaces, one with conventional recuperative<br />
heating and one with the new ROREBS system.<br />
The gas consumption is lower throughout the<br />
entire furnace cycle when using ROREBS, saving<br />
30% overall.<br />
Further applications for ROREBS for roof heating<br />
or in heat treatment furnaces are currently being<br />
worked on, see fig. 27<br />
Bild / Figure 27<br />
Flachflammenbrenner im Industrieofen<br />
Laminar Flow Burner in industrial heating furnace<br />
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Energy and Resources | Heat and Combustion Technolgies<br />
Sicherheitstechnik / DVGW Sachverständigenstelle<br />
Der DVGW (Deutscher Verein <strong>de</strong>s Gas- und Wasserfaches<br />
e. V.) hat das <strong>BFI</strong> als Sachverständigenstelle<br />
für die industrielle Gasverwendung anerkannt.<br />
Im Rahmen <strong>de</strong>r Sachverständigentätigkeit <strong>de</strong>s <strong>BFI</strong><br />
wer<strong>de</strong>n ingenieur-, prozess- und sicherheitstechnische<br />
Beratungen u. a. zu Themen <strong>de</strong>r Gastechnik und<br />
<strong>de</strong>s Explosionsschutzes durchgeführt. Es wur<strong>de</strong>n<br />
Gefährdungsbeurteilungen für hüttentechnische<br />
Anlagen erstellt. Die Gefährdungsbeurteilungen<br />
basieren u. a. auf <strong>de</strong>r Ermittlung <strong>de</strong>r Gefährdungen<br />
für verschie<strong>de</strong>ne Betriebszustän<strong>de</strong> <strong>de</strong>r Anlagen und<br />
<strong>de</strong>r resultieren<strong>de</strong>n Risiken. Es wur<strong>de</strong>n Explosionskenngrößen<br />
in Abhängigkeit von Druck und Temperatur<br />
berechnet. Zur Minimierung und Vermeidung <strong>de</strong>r<br />
ermittelten Gefährdungen wur<strong>de</strong>n Maßnahmen <strong>de</strong>s<br />
konstruktiven, technischen und organisatorischen<br />
Explosionsschutzes festgelegt. Hierzu gehören auch die<br />
SIL-Klassifizierung erfor<strong>de</strong>rlicher PLT-Schutzeinrichtungen<br />
innerhalb <strong>de</strong>s technischen Explosionsschutzes<br />
und die Einteilung von Explosionszonen (Bild 28).<br />
Zu<strong>de</strong>m arbeitet das <strong>BFI</strong> in gemeinsamen Arbeitskreisen<br />
von DVGW und VDMA an <strong>de</strong>r Aktualisierung<br />
europäischer Normen zur Gasanwendung<br />
schwerpunktmäßig im Bereich industrieller Thermoprozesstechnik<br />
mit.<br />
Des Weiteren wer<strong>de</strong>n Informationen für Hersteller<br />
und Betreiber von Thermoprozessanlagen erarbeitet<br />
Safety Technology / DVGW Expert<br />
Advisory Services<br />
<strong>BFI</strong> is a DVGW-approved (Deutscher Verein <strong>de</strong>s<br />
Gas- und Wasserfaches: German Association for<br />
the Gas and Water Industry) expert body on<br />
industrial gas utilization. During its activities<br />
in this capacity, <strong>BFI</strong> provi<strong>de</strong>s expert advice on<br />
engineering, process and safety matters on topics<br />
such as gas engineering and explosion protection.<br />
Risk assessments for metallurgical installations<br />
have been drawn up. These are based on i<strong>de</strong>ntifying<br />
all possible hazards in the different operating<br />
mo<strong>de</strong>s of equipment being consi<strong>de</strong>red and <strong>de</strong>termining<br />
the risks resulting from such hazards.<br />
Explosion parameters have been calculated as a<br />
function of pressure and temperature. Design,<br />
technical and organisational explosion protection<br />
measures were then specified to minimise and/<br />
or avoid the i<strong>de</strong>ntified hazards. These inclu<strong>de</strong><br />
SIL classification, the required process control<br />
safety <strong>de</strong>vices and systems for technical explosion<br />
protection, and classification and zoning of areas<br />
with potentially explosive atmospheres (Fig. 28).<br />
<strong>BFI</strong> is also an active participant in joint working<br />
groups of DVGW and VDMA concerned with<br />
updating European standards on the use of gas,<br />
mainly in the area of industrial thermal process<br />
engineering.<br />
A further aim is to prepare and publish information<br />
for manufacturers and users of thermal<br />
Bild / Figure 28<br />
Beispiel eines Risikographen zur Ermittlung <strong>de</strong>r SIL-Klassifizierung<br />
Example of risk graphs for <strong>de</strong>termining SIL classification<br />
© VDEh-Betriebsforschungsinstitut GmbH<br />
37
Energie- und Ressourcentechnik | Wärme- und Verbrennungstechnik<br />
und öffentlich gemacht. Themen sind unter an<strong>de</strong>rem<br />
Stand und Verän<strong>de</strong>rungen relevanter Normen, Prozesssicherheit,<br />
wie z. B. Instandhaltung und <strong>de</strong>r frühzeitiger<br />
Austausch von Verschleißteilen, Minimierung<br />
von Gefahrenquellen durch technische, konstruktive<br />
und organisatorische Maßnahmen gegen Personen-,<br />
Umwelt- und Anlagenschä<strong>de</strong>n, sowie Ausbildungsund<br />
Schulungsmöglichkeiten <strong>de</strong>r Mitarbeiter.<br />
processing plant and equipment. Topics treated<br />
inclu<strong>de</strong>, the status of and amendments to relevant<br />
standards, process safety (e.g. maintenance, early<br />
replacement of wear parts), minimisation of hazard<br />
sources (through technical, <strong>de</strong>sign and organisational<br />
measures to prevent personal injury and damage<br />
to the environment and industrial property), and<br />
education and training possibilities for employees.<br />
Untersuchungen zu Verunreinigungen von<br />
Brennern bzw. Brennerbauteilen<br />
In einer Studie zum Thema „Verunreinigung<br />
von Brennern bzw. Brennerbauteilen“ wur<strong>de</strong>n die<br />
bestehen<strong>de</strong>n Phänomene bezüglich <strong>de</strong>r Funktionsbeeinträchtigung<br />
bzw. <strong>de</strong>s –ausfalles von Brennern<br />
o<strong>de</strong>r Brennerbauteilen untersucht. Hauptgrün<strong>de</strong><br />
für die Funktionsbeeinträchtigungen waren zum<br />
einen die Verunreinigung bis zur vollständigen<br />
Verstopfung (Bild 29) und die Korrosion (Bild 30).<br />
Soiling of burners and burner parts<br />
In a study on the subject of “soiling of burners<br />
and burner parts” phenomena pertaining to performance<br />
<strong>de</strong>gradation or failure of burners or burner<br />
parts were investigated. The main reasons for<br />
<strong>de</strong>gradation of performance were soiling, even<br />
to the point of complete clogging (Fig. 29), and<br />
corrosion (Fig. 30).<br />
Bild / Figure 29<br />
Verstopfter Wabenkörper<br />
Clogged honeycomb element<br />
Bild / Figure 30<br />
korrodiertes keramisches Flammenrohr<br />
Corro<strong>de</strong>d ceramic flame tube<br />
38 © VDEh-Betriebsforschungsinstitut GmbH
Energy and Resources | Heat and Combustion Technolgies<br />
Ein weiteres Ergebnis <strong>de</strong>r Studie war, dass diese<br />
Phänomene keine Einzelfälle sind. Es liegen bislang<br />
keine systematischen Untersuchungen vor, um diese<br />
Beeinträchtigungen gezielt zu vermei<strong>de</strong>n. Seitens<br />
<strong>de</strong>r Industrie wur<strong>de</strong> ausgesagt, dass auf Grund zu<br />
erwarten<strong>de</strong>r Probleme häufig bei <strong>de</strong>r Planung auf<br />
mo<strong>de</strong>rne Brennertechnologien verzichtet wird.<br />
Another finding of this study was that these<br />
phenomena are by no means isolated cases. No<br />
systematic studies have yet been performed in<br />
or<strong>de</strong>r to avoid such <strong>de</strong>gradation of performance.<br />
According to industry comments, planning <strong>de</strong>cisions<br />
frequently went against the use of mo<strong>de</strong>rn<br />
burner technologies because of the expected<br />
problems.<br />
Hochleistungskeramik für neuartigen keramischer<br />
Hochtemperaturrekuperator<br />
Stand <strong>de</strong>r Technik zur Rückgewinnung von<br />
Abgaswärme an Industrieöfen und Rückführung<br />
in <strong>de</strong>n Prozess sind <strong>de</strong>rzeit metallische Rekuperatoren<br />
für eine Brennlufttemperatur von<br />
rd. 200 – 600 °C, die Leistungsspanne liegt zwischen<br />
rd. 300 kW und mehreren MW. Die Abwärmerückgewinnung<br />
an Industrieöfen bei Hochtemperatur<br />
T > 1000 °C und hoher Brennerleistung ist mit<br />
<strong>de</strong>rzeitiger Rekuperatortechnik nicht mög lich.<br />
Verfügbare Brennersysteme, bei <strong>de</strong>nen <strong>de</strong>r Brenner<br />
mit einem keramischen Rekuperator in einem<br />
Bauteil kombiniert ist – keramischer Rekubrenner -,<br />
sind zur Luftvorwärmung auf über 1.000°C geeignet.<br />
Ihre thermische Leistung ist aber auf maximal<br />
200 kW begrenzt und daher nur für wenige Industrieöfen<br />
geeignet.<br />
Der im Vorhaben zu entwickeln<strong>de</strong> keramische<br />
Rekuperator soll an Hochtemperaturöfen eingesetzt<br />
wer<strong>de</strong>n und eine sehr hohe Brennluftvorwärmung<br />
erreichen. Der Einsatzbereich soll wie<br />
bei metallischen Rekuperatoren von rd. 300 kW<br />
High-performance ceramics for novel ceramic<br />
high-temperature recuperator<br />
The state of the art for recovering waste-gas<br />
heat from industrial furnaces and returning this<br />
heat to the process is currently metallic recuperators<br />
for a combustion air temperature of some<br />
200 – 600 °C with a power ranging from some<br />
300 kW to several MW. With today’s recuperator<br />
technology it is not possible to recover heat<br />
from industrial furnaces at high temperatures of<br />
T > 1000 °C and high burner power. Burner systems<br />
where the burner and a ceramic recuperator are<br />
combined into one part – known as ceramic recuburners<br />
– are available for air preheating up to<br />
over 1000 °C. However, their thermal power is<br />
limited to a maximum of 200 kW, which makes<br />
them unsuitable for the majority of industrial<br />
furnaces.<br />
The ceramic recuperator to be <strong>de</strong>veloped in this<br />
project is to be used in hightemperature furnaces<br />
and achieve a very high level of air preheating. Its<br />
power range is to equal that of metallic recuperators,<br />
i.e. from some 300 kW to several MW. The<br />
Bild / Figure 31<br />
Keramikkörper eines möglichen Demonstrators<br />
Ceramic elements for a possible <strong>de</strong>monstrator<br />
© VDEh-Betriebsforschungsinstitut GmbH<br />
39
Energie- und Ressourcentechnik | Wärme- und Verbrennungstechnik<br />
bis zu mehreren MW reichen. Das Abgas soll ohne<br />
Vorkühlung direkt aus <strong>de</strong>m Ofen in <strong>de</strong>n Rekuperator<br />
eintreten, um die Verluste zu minimieren. Die<br />
betriebliche Einsatzreife soll durch systematische,<br />
stufenweise Erprobung an <strong>de</strong>r <strong>BFI</strong> - Brennerversuchsanlage<br />
<strong>de</strong>monstriert wer<strong>de</strong>n.<br />
Der keramische Rekuperator besteht aus SiC-<br />
Würfeln als wärmeübertragen<strong>de</strong> Komponente. An<br />
einer Versuchsanlage <strong>de</strong>s <strong>BFI</strong> wur<strong>de</strong>n bereits mehrere<br />
Würfel mit unterschiedlicher Geometrie (Bild 31)<br />
auf ihre Eignung als Wärmeübertrager getestet.<br />
waste gas is to enter the recuperator directly from<br />
the furnace, without any precooling, in or<strong>de</strong>r to<br />
minimise losses. Readiness for industrial use is<br />
to be <strong>de</strong>monstrated by a series of systematic tests<br />
in the <strong>BFI</strong> burner testing plant.<br />
The ceramic recuperator consists of SiC cubes<br />
as heat transferring components. In a test setup<br />
at <strong>BFI</strong>, several cubes with different geometries<br />
(Fig. 31) were tested as to their suitability as heat<br />
transfer elements.<br />
Qualitäts- und leistungssteigern<strong>de</strong>s Beheizungsverfahren<br />
für Wärmebehandlungsöfen auf Basis<br />
von innovativen energiesparen<strong>de</strong>n Hoch-Impuls-<br />
Brennern<br />
Zur Wärmebehandlung hochwertiger Metall-<br />
Erzeugnisse wer<strong>de</strong>n häufig fossil beheizte Öfen<br />
eingesetzt. Aufgrund <strong>de</strong>s Temperaturniveaus von<br />
weniger als 1.000 °C hat hier <strong>de</strong>r konvektive Wärmeübergang<br />
an das Nutzgut einen maßgeblichen Einfluss<br />
auf die Effizienz <strong>de</strong>r Erwärmung. Eine Erhöhung<br />
<strong>de</strong>s konvektiven Wärmeübergangs führt daher<br />
zu einer Steigerung <strong>de</strong>r Aufheizgeschwindigkeit,<br />
was sowohl die Anlagenleistung als auch <strong>de</strong>ren<br />
energetische Effizienz nachhaltig verbessert. Der<br />
konvektive Wärmeübergang ist hauptsächlich von<br />
<strong>de</strong>r Strömungsgeschwindigkeit im Bereich <strong>de</strong>r<br />
Nutzgutoberflächen abhängig. In einem laufen<strong>de</strong>n<br />
Forschungsvorhaben wer<strong>de</strong>n daher Maßnahmen<br />
er ar beitet, die Ofenatmosphärenumwälzung zu<br />
erhöhen. Da dies mit Hilfe von Umwälzgebläsen<br />
häufig nicht wirtschaftlich realisierbar ist, wird<br />
in diesem Verbund-Forschungs vorhaben ein soge-<br />
Quality- and performance-enhancing heating<br />
methods for heat treatment furnaces based on<br />
innovative energy-saving high-velocity pulse<br />
burners<br />
Heat treatment of high-quality metal products<br />
is often carried out in furnaces fired with fossil<br />
fuels. Since the temperature level is less than<br />
1,000°C, convective heat transfer into the charged<br />
stock has a major influence on the efficiency of<br />
the heating. Increasing the convective transfer of<br />
heat therefore increases the heating rate, which<br />
also significantly improves the performance of the<br />
furnace and its energy efficiency. Convective heat<br />
transfer mainly <strong>de</strong>pends on the flow velocity in the<br />
charge material surface. In an ongoing research<br />
project, measures are being <strong>de</strong>vised to increase<br />
the circulation rate of the furnace atmosphere.<br />
Since this often cannot be achieved at reasonable<br />
cost with circulation blowers, an objective of this<br />
collaborative research project is to <strong>de</strong>velop highvelocity<br />
impulse burners. Similar to the known<br />
impulsed burners (Fig. 32), this type of burner<br />
Bild / Figure 32<br />
Strömungs- und Temperaturverhältnisse im Bereich <strong>de</strong>s Verbrennungsgasaustritts an einem Impuls-Brenner<br />
Flow and temperature conditions around the combustion gas exit point in a pulsed burner<br />
40 © VDEh-Betriebsforschungsinstitut GmbH
Energy and Resources | Heat and Combustion Technolgies<br />
nannter Hoch-Impuls-Brenner entwickelt. Dieser<br />
Brenner düst, ähnlich wie bei <strong>de</strong>n bekannten Impuls-<br />
Brennern, siehe Bild 32, die Verbrennungsgase mit<br />
sehr hoher Geschwindigkeit in <strong>de</strong>n Ofenraum ein.<br />
Hierdurch wird, ohne <strong>de</strong>n Einsatz von separaten<br />
Gebläsen, ebenfalls eine intensive Umwälzung <strong>de</strong>r<br />
Ofenatmosphäre erreicht. Der neu zu entwickeln<strong>de</strong><br />
Brenner wird dabei auf einer neuen, innovativen<br />
Führung <strong>de</strong>s Verbrennungsprozesses beruhen. Hierbei<br />
wird ein sehr hoher Anteil <strong>de</strong>r Verbrennungsreaktion<br />
im Innern <strong>de</strong>s Brenners erfolgen, wodurch die<br />
Verbrennungsgase mit erheblich höherer Geschwindigkeit<br />
aus <strong>de</strong>m Brenner austreten als bei bisher<br />
verfügbaren Brennern. Diese höheren Austrittsgeschwindigkeiten<br />
führen, über eine entsprechen<strong>de</strong><br />
Anhebung <strong>de</strong>r Ofenatmosphärenumwälzung, zu <strong>de</strong>r<br />
angestrebten Steigerung <strong>de</strong>r Produktionsleistung<br />
und Energieeffizienz <strong>de</strong>r Anlage. Darüber hinaus<br />
soll durch die neue Prozessführung <strong>de</strong>r Anteil <strong>de</strong>r<br />
giftigen Stickoxi<strong>de</strong> in <strong>de</strong>n Verbrennungsabgasen<br />
auf ein Minimum reduziert wer<strong>de</strong>n.<br />
injects the combustion gases into the furnace<br />
chamber at very high speed. This achieves intensive<br />
circulation of the furnace atmosphere without<br />
the need for separate blowers. The burner that<br />
is to be <strong>de</strong>veloped here will be based on a new<br />
and innovative combustion management. A large<br />
part of the combustion reaction will take place<br />
insi<strong>de</strong> the burner, causing the combustion gases<br />
to exit from the burner at a very much higher<br />
velocity than is the case with existing burners.<br />
These higher exit velocities will accelerate the rate<br />
of furnace atmosphere circulation, thus achieving<br />
the <strong>de</strong>sired increase in the production rate while<br />
improving the furnace‘s energy efficiency. Another<br />
objective of the new combustion management is<br />
to reduce the proportion of toxic nitrogen oxi<strong>de</strong>s<br />
in the combustion exhaust gases to a minimum.<br />
Steigerung von Energieeffizienz und Wirkungsgrad<br />
an Ban<strong>de</strong>rwärmungsöfen durch neue<br />
luftgekühlte Gut-Transportrolle<br />
Stahl-Feinbleche, wie sie beispielsweise in <strong>de</strong>r<br />
Automobilindustrie benötigt wer<strong>de</strong>n, durchlaufen<br />
während ihrer Herstellung mehrere Fertigungsschritte.<br />
Für die Warmumformung und die Wärmebehandlung<br />
ist hierbei immer wie<strong>de</strong>r eine <strong>de</strong>finierte<br />
Erwärmung <strong>de</strong>r Bleche erfor<strong>de</strong>rlich. Dies geschieht<br />
in Ban<strong>de</strong>rwärmungsanlagen, durch welche die<br />
Bleche in Form von (Endlos-) Bän<strong>de</strong>rn über Rollen<br />
Increasing the energy efficiency and performance<br />
of strip heating furnaces by means of<br />
new air-cooled stock transport rollers<br />
Steel sheet materials, such as required in the<br />
automotive industry, are produced in a succession<br />
of different operations. For hot forming and heat<br />
treating, the stock must be heated to a <strong>de</strong>fined<br />
temperature. This is done in strip heating furnaces<br />
where the material is conveyed as endless strip<br />
on rollers (Fig. 33). These transport rollers have a<br />
direct effect on the <strong>de</strong>man<strong>de</strong>d high surface quality<br />
Bild / Figure 33<br />
Gut-Transportrollen einer Ban<strong>de</strong>rwärmungsanlage, hier zu Wartungszwecken teilweise seitlich aus <strong>de</strong>m Ofengefäß gezogen<br />
Transport rollers in a strip heating furnace, pictured here partly pulled out to the si<strong>de</strong> of the furnace shell for maintenance work<br />
© VDEh-Betriebsforschungsinstitut GmbH<br />
41
Energie- und Ressourcentechnik | Wärme- und Verbrennungstechnik<br />
transportiert wer<strong>de</strong>n (Bild 33). Dabei haben diese<br />
Transportrollen einen direkten Einfluss auf die<br />
hohe gefor<strong>de</strong>rte Oberflächenqualität <strong>de</strong>r Feinbleche.<br />
Bei Temperaturwerten von bis zu 1.300°C in <strong>de</strong>n<br />
beheizten Ofenzonen solcher Anlagen sind die<br />
thermischen Anfor<strong>de</strong>rungen an die Rollen sehr<br />
hoch, weshalb in diesen Bereichen üblicherweise<br />
wassergekühlte, metallische Rollen eingesetzt<br />
wer<strong>de</strong>n. Durch diese Wasserkühlung wer<strong>de</strong>n<br />
die Rollen vor Überhitzung geschützt, allerdings<br />
führt sie auch zwangsläufig zu einer ungewollten<br />
Kühlung <strong>de</strong>s Ofenraums und damit zu erheblichen<br />
Energieverlusten.<br />
Das Forschungsvorhaben hat zum Ziel <strong>de</strong>n Energiebedarf<br />
solcher Ban<strong>de</strong>rwärmungsanlagen nachhaltig<br />
zu senken. Durch die Entwicklung einer neuen,<br />
luftgekühlten Transportrolle kann auf die bisherige<br />
intensive innere Wasserkühlung <strong>de</strong>r Rollen<br />
verzichtet wer<strong>de</strong>n. Das Betriebstemperaturniveau<br />
<strong>de</strong>r Rollen wird dabei bewusst angehoben, was die<br />
Energieverluste über die Rollenkühlung entsprechend<br />
minimiert. Um <strong>de</strong>n hohen thermischen<br />
Anfor<strong>de</strong>rungen unter <strong>de</strong>n o. g. Betriebsbedingungen<br />
<strong>de</strong>nnoch standhalten zu können, wer<strong>de</strong>n die<br />
verwen<strong>de</strong>ten Werkstoffe, mit Blick auf die extremen<br />
Einsatzbedingungen, gezielt weiterentwickelt. Mit<br />
Hilfe von Simulationsrechnungen wird zu<strong>de</strong>m die<br />
neue Transportrolle strömungs- und wärmetechnisch<br />
optimiert um lokale Temperaturspitzen im<br />
Rollenkörper schon während <strong>de</strong>r Entwicklung<br />
sicher zu vermei<strong>de</strong>n. Hierbei kommen sowohl<br />
CFD- als auch FEM-basierte 3D-Mo<strong>de</strong>lle zum Einsatz.<br />
Durch <strong>de</strong>n Einsatz dieser neu zu entwickeln<strong>de</strong>n<br />
Transportrollen kann die Energieeffizienz von<br />
Ban<strong>de</strong>rwärmungsanlagen nachhaltig gesteigert<br />
wer<strong>de</strong>n, bei gleichzeitig gesicherter Produktqualität.<br />
of the sheet materials. At temperatures of up to<br />
1,300°C in the heated zones of such furnaces, the<br />
thermal stressing of these rollers is very high, and<br />
the common practice is therefore to use watercooled<br />
metallic rollers in such zones. Although<br />
the water cooling does protect the rollers from<br />
overheating, it automatically leads to an unwanted<br />
cooling of the furnace chamber and hence to<br />
substantial energy losses.<br />
This research project aims to significantly lower<br />
the energy <strong>de</strong>mand of such strip heating furnaces.<br />
The <strong>de</strong>velopment of a new type of air-cooled<br />
transport roller will make it possible to do without<br />
the customary intensive internal water cooling<br />
of the rollers. The operating temperature level of<br />
the rollers will be <strong>de</strong>liberately raised in or<strong>de</strong>r to<br />
minimise the energy losses associated with roller<br />
cooling. To ensure that the rollers will nevertheless<br />
be able to withstand the high thermal loading<br />
un<strong>de</strong>r the changed operating conditions, the<br />
materials will be further <strong>de</strong>veloped specifically<br />
with these extreme conditions of use in mind.<br />
Numerical simulations will be performed with<br />
a view to optimizing the new transport roller in<br />
terms of flow patterns and heat distribution in<br />
or<strong>de</strong>r to avoid local temperature peaks in the<br />
roller body even at the <strong>de</strong>velopment stage. Both<br />
CFD- and FEM-based 3D mo<strong>de</strong>ls will be used here.<br />
Once they have been <strong>de</strong>veloped, the use of such<br />
new transport rollers will help to significantly<br />
improve the energy efficiency of strip heating<br />
furnaces while also assuring the same level of<br />
product quality.<br />
Senkung von Energieverbrauch und CO 2<br />
-Ausstoß<br />
bei <strong>de</strong>r Erwärmung von Metallerzeugnissen mit<br />
Hilfe simulativer Universal-Softsensorik im Nutzgut<br />
Die Wärmebehandlung ist bei vielen Produktionsprozessen<br />
<strong>de</strong>r Stahlindustrie <strong>de</strong>n warm umformen<strong>de</strong>n<br />
Herstellungsschritten direkt angeschlossen.<br />
Da die Prozesstemperatur <strong>de</strong>r Wärmebehandlung<br />
üblicherweise unterhalb <strong>de</strong>r Warmumformtemperatur<br />
liegt, ergibt sich hier ein großes Potential zur<br />
Abwärmenutzung bzw. Wärmerückgewinnung.<br />
Auf dieser Basis wird in einem laufen<strong>de</strong>n Forschungsvorhaben<br />
ein flexibler Anlagenverbund zur Herstellung<br />
nahtlos gewalzter Ringe entwickelt, <strong>de</strong>r es ermög-<br />
Decreasing the energy consumption and CO 2<br />
emissions during heating, of metal products<br />
through novel integration of processes and<br />
plants with simulatory universal soft sensors in<br />
the charge material<br />
In many steel industry production processes<br />
the heat treatment facilities are located directly<br />
after the hot forming stages. Since the process<br />
temperatures in heat treatment normally lie<br />
below those of the hot forming operations, this<br />
offers great potential for utilising or recovering<br />
the waste heat.<br />
This is the basis for an ongoing research project<br />
in which a flexible integrated line for producing<br />
seamless rolled rings is being <strong>de</strong>veloped that will<br />
42 © VDEh-Betriebsforschungsinstitut GmbH
Energy and Resources | Heat and Combustion Technolgies<br />
licht, <strong>de</strong>n gesamten Fertigungsprozess, bestehend aus<br />
Vorschmie<strong>de</strong>n, Walzen und Wärmebehan<strong>de</strong>ln, höchst<br />
energieeffizient zu gestalten. Hierbei wird konsequent<br />
das Ziel verfolgt, die in die Ringe eingebrachte Wärme<br />
möglichst vollständig zu nutzen. Über neu entwickelte<br />
Prozessführungskonzepte und eine neue Anlagenlogistik<br />
wird sichergestellt, dass die Ringe in je<strong>de</strong>m<br />
Fertigungsschritt nur so wenig Wärme wie möglich an<br />
die Umgebung abgeben. Der hohe Anteil <strong>de</strong>r so in <strong>de</strong>n<br />
Ringen verbleiben<strong>de</strong>n Rest-Wärme steht damit nach<br />
<strong>de</strong>m Prinzip <strong>de</strong>s Warmeinsatzes <strong>de</strong>m nachfolgen<strong>de</strong>n<br />
Fertigungsschritt weiter zur Verfügung und führt<br />
dort direkt zu einer entsprechen<strong>de</strong>n Primärenergieeinsparung.<br />
Ist es jedoch, beispielsweise für die<br />
Wärmebehandlung, prozesstechnisch notwendig die<br />
Ringe auf eine bestimmte Temperatur abzukühlen,<br />
so erfolgt dies in geregelten Kühlstrecken, wo die<br />
Wärme gezielt aus <strong>de</strong>n Ringen ausgekoppelt wird. So<br />
wird zum einen eine unnötiges Unterschreiten <strong>de</strong>r<br />
Zieltemperatur verhin<strong>de</strong>rt und zum an<strong>de</strong>ren wird<br />
die ausgekoppelte Wärme hier zu einer separaten,<br />
externen Brennluftvorwärmung genutzt, wodurch<br />
sie anlagen- bzw. prozessübergreifend wie<strong>de</strong>r in <strong>de</strong>n<br />
Gesamtprozess zurückgeführt wer<strong>de</strong>n kann, Bild 34.<br />
make it possible to operate the entire process<br />
(consisting of preforging, rolling and heat treatment)<br />
with a high <strong>de</strong>gree of energy efficiency.<br />
The goal being pursued systematically here is to<br />
utilize the heat introduced into the rings entirely<br />
or as far as possible. Newly <strong>de</strong>veloped process<br />
management strategies and new plant logistics<br />
ensure that the amount of heat dissipated to the<br />
environment at each production stage is kept as<br />
low as possible. The high level of heat remaining<br />
in the rings can thus be exploited directly in the<br />
following production step by hot-charging the<br />
material and so saving a corresponding amount<br />
of primary energy. Conversely, if the rings have<br />
to be cooled to a specific temperature to meet<br />
processing requirements, such as for heat treatment,<br />
this is done in regulated cooling zones<br />
where the heat is extracted from the rings in a<br />
controlled manner. This not only prevents the<br />
temperature from falling below the target level,<br />
it also ensures that the extracted heat can be<br />
used in a separate external system for preheating<br />
combustion air, thus feeding it back at another<br />
point in the overall process, Fig. 34.<br />
Bild / Figure 34<br />
Anlagenverbund zur Fertigung nahtlos gewalzter Ringe inkl. prozessübergreifen<strong>de</strong>r Wärmerückgewinnung (hier nur Wärmebehandlungssektion<br />
dargestellt)<br />
Integrated line for production of seamless rolled rings, including through-process heat recovery (shown here: heat treatment section only)<br />
© VDEh-Betriebsforschungsinstitut GmbH<br />
43
Energie- und Ressourcentechnik | Wärme- und Verbrennungstechnik<br />
Der Anlagenverbund wird zur Fertigung eines<br />
sehr breiten Produktspektrums genutzt. Daher<br />
ist für einen optimalen Betrieb eine <strong>de</strong>taillierte<br />
und durch Online-Simulationen gestützte Prozessplanung<br />
erfor<strong>de</strong>rlich, welche ebenfalls am <strong>BFI</strong><br />
entwickelt wird.<br />
The integrated line is used to produce a very large<br />
spectrum of products. Operating it in the most<br />
efficient way possible requires <strong>de</strong>tailed process<br />
planning supported by online simulations, which<br />
are also being <strong>de</strong>veloped by <strong>BFI</strong>.<br />
Senkung von Energiebedarf und Schadstoffausstoß<br />
in Wärmöfen durch Einsatz neuer Brennerund<br />
Prozesstechnik<br />
Die Produktion qualitativ hochwertiger Metallerzeugnisse<br />
erfor<strong>de</strong>rt eine Erwärmung und Wärmebehandlung<br />
bei hoher Temperatur. In Zeiten steigen<strong>de</strong>r<br />
Energiekosten sollten die meist fossil befeuerten<br />
Wärmöfen möglichst effizient und emissionsarm<br />
betrieben wer<strong>de</strong>n.<br />
Aus diesem Grund wur<strong>de</strong>n in einem Forschungsvorhaben<br />
die Möglichkeiten neuer Brenner- und<br />
Prozesstechnologie zur Senkung <strong>de</strong>s Energiebedarfs<br />
und <strong>de</strong>r CO 2<br />
-Emissionen aufgezeigt. Der wesentliche<br />
Teil <strong>de</strong>r Energie geht in solchen Wärmöfen über das<br />
Abgas verloren. Ein Ansatz zur Minimierung dieser<br />
Verluste ist, mit einer effizienten Wärmerückgewinnung<br />
die im Abgasstrom noch vorhan<strong>de</strong>ne Wärme<br />
zur Brennmedienvorwärmung einzusetzen. Durch<br />
neue regenerative Systeme können hier erhebliche<br />
Energie- und CO 2<br />
-Mengen eingespart wer<strong>de</strong>n. Verglichen<br />
mit Öfen ohne Wämerückgewinnung können<br />
Reducing the energy <strong>de</strong>mand and pollutant<br />
emissions in reheating furnaces by using new<br />
burner and process technology<br />
Producing high-quality metal products requires<br />
heating and heat treating at elevated temperatures.<br />
In times of rising energy costs, there is a need<br />
for the reheating furnaces – which are mostly<br />
fossil fired – to be operated in the most efficient<br />
and low-emission mo<strong>de</strong> possible.<br />
In a research project, the opportunities offered<br />
by new burner and process technology to reduce<br />
both energy <strong>de</strong>mand and carbon emissions were<br />
therefore i<strong>de</strong>ntified. In such reheating furnaces<br />
most of the energy is dissipated via the waste gas.<br />
One approach to minimizing these losses is to<br />
employ efficient heat recovery methods so that<br />
the heat in the waste gas flow can be used for<br />
fuel preheating. New regenerative systems could<br />
save consi<strong>de</strong>rable amounts of energy and CO 2<br />
in<br />
this way. Compared with furnaces that have no<br />
heat recovery, this can save a substantial 50%<br />
Bild / Figure 35<br />
Numerische Berechnung <strong>de</strong>r Strömungsverhältnisse für einen Flachflammenbrenner<br />
Numerical computation of the flow conditions for a flat flame burner<br />
44 © VDEh-Betriebsforschungsinstitut GmbH
Energy and Resources | Heat and Combustion Technolgies<br />
beachtliche 50% Energie eingespart wer<strong>de</strong>n. Im<br />
Rahmen <strong>de</strong>s Forschungsvorhabens wur<strong>de</strong> hierzu<br />
am <strong>BFI</strong> ein neues regeneratives Beheizungssystem<br />
mit einem Flachflammenbrenner für Wärmöfen<br />
entwickelt. Die Vorgehensweise mit parallelen experimentellen<br />
und numerischen Untersuchungen hat<br />
sich hier als vorteilhaft herausgestellt. Durch Simulationsrechnungen<br />
<strong>de</strong>r Brenner konnten im Vorfeld<br />
die Auswirkungen auf Strömung, Verbrennung und<br />
Schadstoffbildung überprüft wer<strong>de</strong>n, Bild 35. Auch<br />
NO x<br />
-Konzentrationen konnten hiermit qualitativ<br />
richtig vorausberechnet und anschließend durch<br />
gezielte Optimierung reduziert wer<strong>de</strong>n.<br />
on energy input. As part of the research project,<br />
a new regenerative heating system with a flat<br />
flame burner was <strong>de</strong>veloped at <strong>BFI</strong> for reheating<br />
furnaces. The chosen approach of running parallel<br />
experimental and numerical studies proved to<br />
be a very favourable one. Numerical simulations<br />
of the burners ma<strong>de</strong> it possible to preassess the<br />
impacts on flow conditions, combustion and<br />
pollutant formation (Fig. 35). This also allowed<br />
correct prediction of the NO x<br />
concentrations,<br />
which could then be reduced through targeted<br />
optimization measures.<br />
Senkung <strong>de</strong>s Energiebedarfs und <strong>de</strong>r Emissionsfreisetzung<br />
an Koksöfen mittels erweiterter<br />
Diagnose- und Regelungssysteme<br />
Aus Koksöfen wer<strong>de</strong>n in integrierten Hüttenwerken<br />
mit die meisten NO x<br />
-, SO 2<br />
- und Partikel-Emissionen<br />
freigesetzt. Mittels einer Brennstoffeinsparung von<br />
z. B. 5 % könnten rd. 180 TJ/Mio. t Koks inklusive<br />
<strong>de</strong>r dazugehörigen Emissionen eingespart wer<strong>de</strong>n.<br />
Daher war das Ziel eines FuE-Verbundvorhabens<br />
die Optimierung <strong>de</strong>r Energieeffizienz bei <strong>de</strong>r<br />
Beheizung von Koksöfen und die Verringerung <strong>de</strong>r<br />
damit verbun<strong>de</strong>nen Emissionsfreisetzung. Dies<br />
wur<strong>de</strong> erreicht durch eine Einzelheizwandrege-<br />
Lowering the energy requirement and the emissions<br />
of coke ovens with the aid of expan<strong>de</strong>d<br />
diagnostic and control systems<br />
In integrated steel mills, a lot of the NO x<br />
, SO 2<br />
and<br />
particulate emissions are generated by coke ovens.<br />
If the fuel consumption could be reduced by 5%,<br />
for example, it would be possible to save about<br />
180 TJ per million tonnes of coke, including the<br />
associated emissions. The objectives of a collaborative<br />
R&D project were therefore to improve the<br />
energy efficiency of coke oven heating systems<br />
while reducing the related emissions at the same<br />
time. This was achieved by individual heating<br />
Bild / Figure 36<br />
Sauerstoffverteilung im Heizzug: Kein Rohgasübertritt (links), 10% Rohgasübertritt (mitte) und 75% Rohgasübertritt (rechts)<br />
Oxygen distribution in the heating flue: no through-wall leakage (left), through-wall leakage rate 10% (centre), and through-wall leakage rate<br />
75% (right)<br />
© VDEh-Betriebsforschungsinstitut GmbH<br />
45
Energie- und Ressourcentechnik | Wärme- und Verbrennungstechnik<br />
lung und die Entwicklung innovativer Diagnosesysteme<br />
zur Detektierung von Störungen in <strong>de</strong>n<br />
Heizwän<strong>de</strong>n (z. B. Rohgasübertritt aus <strong>de</strong>r Kokswand<br />
und Blocka<strong>de</strong> <strong>de</strong>r Brenngas- und Brennluftdüsen).<br />
Am <strong>BFI</strong> wur<strong>de</strong> im Rahmen dieser Arbeiten ein<br />
Versuchsreaktor zur Nachbildung eines Koksofenheizzuges<br />
entworfen und gebaut. Verschie<strong>de</strong>ne<br />
Einflüsse (z. B. Position <strong>de</strong>r Brenngaszufuhr,<br />
Brennluft-/Brenngasvorwärmtemperatur, Verhältnis<br />
Brennluft/Brenngas, Rohgasübertritt, Abgasrezirkulation)<br />
auf die Abgaszusammensetzung<br />
und Temperaturverteilung wur<strong>de</strong>n im Versuchsreaktor<br />
untersucht. Anhand <strong>de</strong>r Ergebnisse können<br />
Verbrennungsanomalien eines Koksofenheizzuges<br />
ermittelt und beschrieben wer<strong>de</strong>n. Je<strong>de</strong> dieser<br />
möglichen Anomalien wur<strong>de</strong> gekennzeichnet durch<br />
verschie<strong>de</strong>ne verbrennungsrelevante Prozessparameter.<br />
Mit diesen Informationen können geeignete<br />
Gegenmaßnahmen durch die Einzelheizwandregelung<br />
getroffen wer<strong>de</strong>n. Ergänzt wur<strong>de</strong>n die experimentellen<br />
Arbeiten am Versuchsreaktor durch<br />
CFD-Simulationen. Bild 36 zeigt beispielsweise die<br />
Sauerstoffverteilung im Heizzug bei verschie<strong>de</strong>nen<br />
Rohgasübertrittsraten.<br />
wall control and <strong>de</strong>veloping innovative diagnostic<br />
systems to <strong>de</strong>tect disturbances in the heating<br />
walls (e.g. through wall leakage and blockage of<br />
the combustion gas and air nozzles).<br />
At <strong>BFI</strong>, work on this project inclu<strong>de</strong>d <strong>de</strong>signing<br />
and building a test reactor to simulate a coke oven<br />
heating flue. The test reactor was used to study<br />
various factors (e.g. position of the combustion<br />
gas supply line, combustion air/gas preheating<br />
temperature, combustion air/gas ratio, through<br />
wall leakage rate, off-gas recirculation) influencing<br />
the composition of the off-gas and the<br />
temperature distribution. The test results have<br />
ma<strong>de</strong> it possible to i<strong>de</strong>ntify and <strong>de</strong>scribe combustion<br />
anomalies in a coke oven heating flue. Each<br />
of these possible anomalies was characterised by<br />
a variety of combustion-related process parameters.<br />
This information enables the selection of<br />
suitable countermeasures to be applied through<br />
the control system of the relevant heating wall.<br />
The experimental work on the test reactor was<br />
supplemented by CFD simulations. Fig. 36 shows<br />
the oxygen distribution in the heating flue for<br />
various through wall leakage rates.<br />
Simulation <strong>de</strong>s Aufheizvorganges eines Gießverteilers<br />
nach Neuzustellung mit feuerfestem<br />
Verschleißfutter<br />
Flüssiger Stahl gelangt aus einer Pfanne in einen<br />
Gießverteiler, wo er über verschie<strong>de</strong>ne Tauchaus-<br />
Simulation of the heating process in a casting<br />
tundish after relining with wear-resistant<br />
refractory veneer<br />
Liquid steel is poured from a ladle into a casting<br />
tundish, from where it is conducted into the<br />
Bild / Figure 37<br />
Temperaturverlauf im Verschleiß- und Dauerfutter<br />
Temperature profile in the refractory veneer and permanent lining<br />
46 © VDEh-Betriebsforschungsinstitut GmbH
Energy and Resources | Heat and Combustion Technolgies<br />
güsse in die Kokille gegeben wird. Die Gießverteiler<br />
bestehen aus mehreren feuerfesten Auskleidungsschichten.<br />
Vor allem die mit <strong>de</strong>m flüssigen<br />
Stahl direkt in Kontakt stehen<strong>de</strong> Auskleidung,<br />
das Verschleißfutter, unterliegt einem hohen<br />
Verschleiß. Die Gießverteiler wer<strong>de</strong>n nach je<strong>de</strong>r<br />
Gießsequenz mit Feuerfestbeton neu zugestellt und<br />
vor <strong>de</strong>r nächsten Gießsequenz aufgeheizt. Ziel ist<br />
eine möglichst gute und gleichmäßige Trocknung<br />
<strong>de</strong>s Verschleißfutters, da verbliebenes Restwasser<br />
zu Qualitätseinbußen <strong>de</strong>s Stahles führen kann.<br />
Die Beheizung eines Gießverteilers erfolgt in <strong>de</strong>r<br />
Regel durch Gasbrenner im Deckel, <strong>de</strong>r auf <strong>de</strong>m<br />
Gießverteiler während <strong>de</strong>s Aufheizens aufliegt.<br />
Aus energetischer Sicht ist die Kenntnis <strong>de</strong>r zur<br />
vollständigen Durchwärmung <strong>de</strong>s Gießverteilers<br />
erfor<strong>de</strong>rlichen Gasmenge wichtig.<br />
Am <strong>BFI</strong> erfolgte die Berechnung <strong>de</strong>r Beheizungszeit<br />
und Temperaturverteilung in <strong>de</strong>r Auskleidung mit<br />
Hilfe numerischer Simulation (Kombination von<br />
Finite-Volumen-Metho<strong>de</strong> (FVM) und Finite-Elemente-<br />
Metho<strong>de</strong> (FEM)). In einem ersten Schritt wur<strong>de</strong>n<br />
die Strömungs- und Wärmeübertragungsbedingungen<br />
vom Verbrennungsgas an die Auskleidung<br />
im Gießverteiler bestimmt. Somit können aufgrund<br />
<strong>de</strong>r Brennerkonfiguration, Anordnung im Deckel<br />
und <strong>de</strong>r Betriebsweise <strong>de</strong>r Brenner bereits lokale<br />
Überhitzungen o<strong>de</strong>r nur indirekt erwärmte Bereiche<br />
i<strong>de</strong>ntifiziert und ggf. eine Neugestaltung <strong>de</strong>r<br />
Aufheizung numerisch überprüft wer<strong>de</strong>n.<br />
Diese Ergebnisse wur<strong>de</strong>n bei <strong>de</strong>r nachfolgen<strong>de</strong>n<br />
FEM-Berechnung <strong>de</strong>s instationären Aufheizvorganges<br />
als Start- bzw. Randbedingungen für die<br />
zeit- und ortsabhängige Temperaturverteilung im<br />
Feuerfest und Stahlbau <strong>de</strong>s Gießverteilers genutzt<br />
(siehe Bild 37). Somit können gezielt Aussagen zur<br />
Durchwärmungszeit und <strong>de</strong>s erfor<strong>de</strong>rlichen Energieeinsatzes<br />
getroffen und Optimierungsansätze<br />
geprüft wer<strong>de</strong>n.<br />
mould via a series of submerged entry nozzles.<br />
The tundishes are lined with several layers of<br />
refractory material. The top layer, or refractory<br />
veneer, which is in direct contact with the liquid<br />
steel is particularly susceptible to wear. After each<br />
casting sequence, the tundishes are relined with<br />
castable refractory veneer and reheated before<br />
the next casting sequence begins. The aim is to<br />
achieve the best possible and most uniform drying<br />
of the refractory veneer, since residual water can<br />
lead to a drop in quality in the steel. The tundish<br />
is generally heated by means of gas burners in<br />
the cover that rests on the tundish during the<br />
heating phase. From an energy management<br />
point of view, it is important to know the amount<br />
of gas that is required to achieve full heating of<br />
the tundish.<br />
<strong>BFI</strong> calculated the heating time and temperature<br />
distribution in the lining with the help of<br />
numerical simulations (a combination of the finite<br />
volume method (FVM) and the finite element<br />
method (FEM)). In a first step, the conditions for<br />
the flow and transfer of heat from the combustion<br />
gas to the lining in the tundish were <strong>de</strong>termined.<br />
By consi<strong>de</strong>ring the burner configuration, the<br />
arrangement in the cover and operating mo<strong>de</strong> of<br />
the burners, it was possible at this stage already<br />
to <strong>de</strong>tect local overheating or areas that received<br />
heat only indirectly and to perform calculations<br />
to check the effectiveness of changes to the<br />
heating <strong>de</strong>sign. These results were then used as<br />
starting or boundary conditions in the following<br />
FEM calculations of the non-steady-state heating<br />
process for time- and locus-<strong>de</strong>pen<strong>de</strong>nt temperature<br />
distribution in the refractory lining and the<br />
steel structure of the tundish (see Fig. 37). This<br />
permits specific conclusions to be drawn regarding<br />
the time and energy input required to heat the<br />
tundish completely and to check approaches for<br />
improving the process.<br />
NO x<br />
-Abbau - Energieeffiziente Entstickung <strong>de</strong>r<br />
Stahlbeizen<br />
Bei einer Vielzahl von industriellen Prozessen<br />
entstehen stickoxidhaltige Abluftströme, wie<br />
z. B. beim Beizen in <strong>de</strong>r E<strong>de</strong>lstahlproduktion. Diese<br />
stickoxidhaltige Abluft muss in <strong>de</strong>r Regel durch<br />
katalytische Verfahren mit zusätzlicher Vorwärmung<br />
<strong>de</strong>r Abluft gereinigt wer<strong>de</strong>n. Durch innovative<br />
neuartige Anlagenkombinationen kann dieser<br />
Schritt eingespart wer<strong>de</strong>n. So kann z. B. die NO x<br />
-<br />
haltige Abluft <strong>de</strong>r Beize <strong>de</strong>n Brennern im Glühofen<br />
als Brennluft zur Verfügung gestellt wer<strong>de</strong>n bzw.<br />
NO x<br />
reduction - energy-efficient <strong>de</strong>nitriding of<br />
steel pickling baths<br />
Many industrial processes, such as pickling<br />
in stainless steel production facilities, generate<br />
exhaust air la<strong>de</strong>n with nitrous oxi<strong>de</strong>s. This<br />
nitrous-oxi<strong>de</strong> containing air generally requires<br />
to be cleaned using catalytic processes with prior<br />
heating of the exhaust air. Through innovative<br />
linking of plant and equipment, this step can now<br />
be eliminated. For example, the NO x<br />
-containing<br />
exhaust air from the pickling line can be fed to the<br />
burners in the annealing furnace as combustion<br />
© VDEh-Betriebsforschungsinstitut GmbH<br />
47
Energie- und Ressourcentechnik | Wärme- und Verbrennungstechnik<br />
die Vorwärmung durch Nutzung <strong>de</strong>r Abwärme<br />
aus <strong>de</strong>m Glühofen erfolgen. Bei bei<strong>de</strong>n Varianten<br />
entfällt <strong>de</strong>r Einsatz von Erdgas zur Aufheizung <strong>de</strong>r<br />
Beizabluft auf Katalysatortemperatur, wodurch ein<br />
wesentlicher Beitrag zur Verringerung <strong>de</strong>s Brennstoffeinsatzes<br />
und zur Senkung <strong>de</strong>r CO 2<br />
-Emission<br />
geleistet wird.<br />
Die Hauptkomponente zum Einsatz <strong>de</strong>r Beizabluft<br />
als Brennluft im Glühofen ist ein neuer<br />
Spezialbrenner, bei <strong>de</strong>m die NO x<br />
-haltige Abluft<br />
als Brennluft eingesetzt wird. Durch eine geeignete<br />
Konstruktion und Verbrennungsführung in <strong>de</strong>r<br />
ersten Zone <strong>de</strong>s Brenners wird eine hohe Stickoxid-<br />
Reduktion und in weiteren Zonen eine möglichst<br />
geringe Stickoxid-Neubildung erreicht. Die gebil<strong>de</strong>ten<br />
Radikale in <strong>de</strong>r Primärzone reagieren mit<br />
<strong>de</strong>n Stickoxi<strong>de</strong>n, um neue Stick-Komponenten wie<br />
z. B. Cyanwasserstoff (HCN) zu bil<strong>de</strong>n. Diese Stick-<br />
Komponenten reagieren unmittelbar und bil<strong>de</strong>n<br />
molekularen Stickstoff N2, Bild 38. Die Luftzahl in<br />
<strong>de</strong>r primären Verbrennungszone hat einen großen<br />
Einfluss auf die erzielbare NO x<br />
-Reduktion. In <strong>de</strong>r<br />
Ausbrandstufe kann die Stickoxid-Neu-Bildung<br />
durch bekannte NO x<br />
-Min<strong>de</strong>rungsmaßnahmen, wie<br />
z. B. die Einstellung eines niedrigen Sauerstoff-<br />
Partialdrucks, beeinflusst wer<strong>de</strong>n.<br />
Eine zusätzliche Maßnahme zur NO x<br />
-Min<strong>de</strong>rung ist<br />
die Vermeidung <strong>de</strong>s Nachbeizens von im Beizbecken<br />
angesammelten Zun<strong>de</strong>rpartikeln bei Stillstand und<br />
Ablassen <strong>de</strong>r Beizsäure. Die zusätzliche Freisetzung<br />
von NOx wird sicher vermie<strong>de</strong>n, wenn die Sedimentation<br />
<strong>de</strong>s Zun<strong>de</strong>rschlamms im Beizbecken durch<br />
Erzeugung von Turbulenzen und kontinuierlichen<br />
Schlammaustrag unterbun<strong>de</strong>n wird.<br />
air, or preheating can be done by using the waste<br />
heat from the annealing furnace. Both of these<br />
options eliminate the need to use natural gas to<br />
heat the exhaust air from the pickling shop to<br />
catalytic converter temperature, thus making a<br />
major contribution to reducing fuel consumption<br />
and carbon emission levels.<br />
The main component required to utilise pickling<br />
exhaust air as combustion air in the annealing<br />
furnace is a new special burner capable of handling<br />
NO x<br />
-containing exhaust air. Thanks to the structural<br />
<strong>de</strong>sign and combustion control in the first<br />
zone of the burner, a high rate of nitrous oxi<strong>de</strong><br />
reduction is achieved, while keeping the amount<br />
of new nitrous oxi<strong>de</strong> formed in the other zones<br />
as low as possible. The radicals formed in the<br />
primary zone react with the nitrous oxi<strong>de</strong>s to<br />
form new nitrous oxi<strong>de</strong> groups, such as hydrogen<br />
cyani<strong>de</strong> (HCN). These nitrous oxi<strong>de</strong> compounds<br />
react immediately and form molecular nitrogen<br />
N2, Fig. 38. The air in<strong>de</strong>x in the primary combustion<br />
zone has a major influence on the attainable<br />
NO x<br />
reduction. In the burnout stage the formation<br />
of new nitrous oxi<strong>de</strong>s can be influenced by known<br />
NO x<br />
reduction measures, such as the adjustment<br />
of a low partial oxygen pressure.<br />
Another measure for reducing NO x<br />
is avoiding<br />
the post-pickling of scale particles that have accumulated<br />
in the pickling tanks during idle times<br />
and draining of the pickling acid. The release of<br />
additional NO x<br />
is reliably avoi<strong>de</strong>d by stopping the<br />
sedimentation of mill scale sludge in the pickling<br />
baths. This is done by creating turbulences and<br />
continuously extracting the sludge.<br />
Bild / Figure 38<br />
Temperaturverlauf im Verschleiß- und Dauerfutter<br />
Temperature profile in the refractory veneer and permanent lining<br />
48 © VDEh-Betriebsforschungsinstitut GmbH
Process | Iron- and Steelmaking<br />
Abwärmenutzung an Sinterkühlern<br />
Eine Abwärmenutzung an Sinterkühlern ist bisher<br />
aufgrund <strong>de</strong>s niedrigen und schwanken<strong>de</strong>n Temperaturniveaus<br />
<strong>de</strong>r Abluft nur selten ausreichend<br />
wirtschaftlich. Zur Verbesserung dieser Situation<br />
führte das <strong>BFI</strong> Messkampagnen und Simulationsrechnungen<br />
durch. Basierend auf diesen Arbeiten<br />
wur<strong>de</strong>n zahlreiche Verbesserungsansätze entwickelt,<br />
mit <strong>de</strong>nen sich die Temperatur von Fertigsinter<br />
und Abluft vergleichmäßigen und erhöhen<br />
lässt. Damit können die Betriebssicherheit und<br />
die Nutzbarkeit <strong>de</strong>r Abwärme verbessert wer<strong>de</strong>n.<br />
Ein erfolgversprechen<strong>de</strong>r Ansatz zur Nutzung <strong>de</strong>r<br />
Abwärme ist die Erzeugung von Dampf für die<br />
prozessinterne Vorwärmung <strong>de</strong>r Sintermischung.<br />
Um die Auswirkungen einer Vorwärmung zuverlässig<br />
zu bestimmen, wur<strong>de</strong>n in Zusammenarbeit<br />
mit einem integrierten Hüttenwerk Simulationen<br />
und Betriebsversuche an einer industriellen Sinteranlage<br />
durchgeführt.<br />
Bild 39 zeigt die Zugabevorrichtung für <strong>de</strong>n<br />
Dampf in <strong>de</strong>r Mischtrommel. Die Auswertung <strong>de</strong>r<br />
Betriebsversuche zeigte eine <strong>de</strong>utliche Verbesserung<br />
<strong>de</strong>r Permeabilität <strong>de</strong>r Sintermischung. Dadurch<br />
konnte <strong>de</strong>r Stromverbrauch am Gebläse <strong>de</strong>utlich<br />
gesenkt o<strong>de</strong>r die Produktionsleistung um ca. 8%<br />
erhöht wer<strong>de</strong>n. Die Simulationsrechnungen mit<br />
<strong>de</strong>m Sinterprozessmo<strong>de</strong>ll lassen zusätzlich eine<br />
Koks-Einsparung von ca. 2% erwarten.<br />
Waste heat utilisation in sinter coolers<br />
Up to now, it has seldom been possible to utilise<br />
the waste heat from sinter coolers because of<br />
the low and fluctuating temperature levels<br />
in the exhaust air. To improve this situation,<br />
<strong>BFI</strong> conducted measurement campaigns and<br />
performed numerical simulations. Based on this<br />
work, numerous improvement approaches were<br />
<strong>de</strong>veloped to regularise and raise the temperature<br />
of the finished sinter and the exhaust air.<br />
This in turn improves operational reliability and<br />
the usability of the waste heat. One promising<br />
approach is to use the waste heat to generate<br />
steam for in-process preheating of the sinter mix.<br />
To reliably <strong>de</strong>termine the effects of preheating,<br />
<strong>BFI</strong> collaborated with an integrated steel mill to<br />
conduct simulations and operational tests on an<br />
industrial sinter plant.<br />
Fig. 39 shows the equipment for injecting steam<br />
into the mixing drum. An evaluation of the field<br />
tests showed a consi<strong>de</strong>rable improvement in the<br />
sinter mix permeability. It was thus possible to<br />
reduce the electricity consumption at the blower<br />
significantly or to increase the production output<br />
by about 8%. According to the numerical simulations<br />
with the sinter process mo<strong>de</strong>l, savings of<br />
approx. 2% in coke can also be expected.<br />
Bild / Figure 39<br />
Zugabevorrichtung für Dampf in <strong>de</strong>r Mischtrommel<br />
Injection of steam into the mixing drum<br />
© VDEh-Betriebsforschungsinstitut GmbH<br />
49
Prozesstechnik | Roheisen- und Stahlerzeugung<br />
Regelbasierte Vorschläge zur effizienteren Prozessführung<br />
eines Hochofens<br />
In Zusammenarbeit mit zwei Hüttenwerken<br />
wur<strong>de</strong> ein regelbasiertes System entwickelt, mit<br />
<strong>de</strong>m bewährte Vorgehensweisen bei <strong>de</strong>r Prozessführung<br />
in programmierte Regeln umgesetzt wer<strong>de</strong>n<br />
können. Ausgehend von <strong>de</strong>n aktuellen Betriebsdaten<br />
sowie historischen Daten liefert dieses regelbasierte<br />
System Vorschläge zur Ofenfahrweise.<br />
Die Vorschläge erstrecken sich auf prozessrelevante<br />
Größen unterschiedlicher Themengebiete,<br />
beispielsweise Menge <strong>de</strong>r Ersatzreduktionsmittel und<br />
Koks, Kaltwindmenge o<strong>de</strong>r auch Mischwindfeuchte.<br />
Auch Warnungen bei Über- o<strong>de</strong>r Unterschreitungen<br />
vorgegebener Werte sind implementiert. Hinter<br />
diesen Meldungen steht eine Vielzahl von Regeln<br />
mit „Wenn-Dann“-Abfragen von Betriebsdaten,<br />
Parametern und wie<strong>de</strong>rum an<strong>de</strong>ren Regeln. So<br />
entsteht ein komplexes Regelwerk, das in vorgegebenen<br />
Abstän<strong>de</strong>n durchlaufen wird und auf einem<br />
separaten Bildschirm Hinweise und Vorschläge<br />
ausgibt (siehe Bild 40).<br />
Ein großer Schwerpunkt bei <strong>de</strong>r Entwicklung<br />
<strong>de</strong>s regelbasierten Systems lag auf <strong>de</strong>r Transparenz<br />
und Erklärung <strong>de</strong>r generierten Vorschläge.<br />
Zu je<strong>de</strong>r Meldung können daher Zusatzinformationen<br />
und eine Grafik angezeigt wer<strong>de</strong>n. Für die<br />
kontinuierliche Verbesserung <strong>de</strong>s Systems und <strong>de</strong>r<br />
Rule-based proposals for more efficient process<br />
management in a blast furnace<br />
In cooperation with two blast furnace plants,<br />
a rules-based system was <strong>de</strong>veloped to implement<br />
proven process management approaches as<br />
programmed rules. Drawing on current operating<br />
data as well as historical data, the rules-based<br />
system <strong>de</strong>livers suggestions for the blast furnace<br />
operation.<br />
These suggestions inclu<strong>de</strong> process-related variables<br />
from different topics, such as quantity of<br />
sub-stitute reducing agents and coke, flow rate<br />
of the cold blast, or humidity level of the hot<br />
blast. Warnings concerning exceedance of upper<br />
or lower limits are also implemented. The rules<br />
behind these messages are based on a large number<br />
of “IF-THEN”-interrogations of operating data,<br />
pa-rameters, and yet other rules. This results in<br />
a complex system of rules, which is queried at<br />
pre-<strong>de</strong>termined intervals. The results are then sent<br />
as messages and proposals to a separate screen<br />
(see Fig.40).<br />
A major aim in <strong>de</strong>veloping the rules-based system<br />
was to make the generated proposals transparent<br />
and to provi<strong>de</strong> explanations. Additional text and<br />
graphic information can therefore be displayed<br />
along with each message. A field for comments is<br />
also inten<strong>de</strong>d to allow continuous improvement<br />
Bild / Figure 40<br />
Bildschirmausgabe <strong>de</strong>s regelbasierten Systems.<br />
Screen output of the rule-based system<br />
50 © VDEh-Betriebsforschungsinstitut GmbH
Process | Iron- and Steelmaking<br />
Prozessführung ist ein Kommentarfeld vorgesehen.<br />
So kann das System das Bedienpersonal bei <strong>de</strong>r<br />
Prozessführung maßgeblich unterstützen und zu<br />
einer gleichmäßigeren, effizienteren Fahrweise<br />
beitragen.<br />
of the system and the process management. This<br />
system can thus provi<strong>de</strong> valuable support for the<br />
operating personnel and help them to manage<br />
the blast furnace process in a more consistent<br />
and efficient way.<br />
Regelbasierte Überwachung <strong>de</strong>r Wärmeabfuhr<br />
eines Hochofens<br />
Als eines <strong>de</strong>r ersten Themengebiete <strong>de</strong>s regelbasierten<br />
Systems wur<strong>de</strong> die Überwachung <strong>de</strong>r Wärmeabfuhr<br />
am Hochofen umgesetzt. Aus Betriebserfahrungen<br />
ist bekannt, dass eine zu hohe Wärmeabfuhr<br />
ungewollte Energieverluste be<strong>de</strong>utet und darüber<br />
hinaus langfristig die Hochofenwand schädigt.<br />
Umgekehrt birgt länger andauern<strong>de</strong> zu niedrige<br />
Wärmeabfuhr die Gefahr, dass sich die Einsatzstoffe<br />
an <strong>de</strong>r Hochofenwand fest anlagern. Diese<br />
Betriebserfahrungen zur Wärmeabfuhr wur<strong>de</strong>n<br />
in Regeln und Grenzwerten umgesetzt und mit<br />
Datenauswertungen verifiziert. Bild 41 zeigt mit<br />
roter und blauer Farbe die Zeitspannen, zu <strong>de</strong>nen die<br />
Wärmeabfuhr basierend auf einer vergleichen<strong>de</strong>n<br />
Auswertung <strong>de</strong>r 4-h- und 90-Tages-Mittelwerte als<br />
auffällig erkannt wer<strong>de</strong>n. Das regelbasierte System<br />
bietet die Möglichkeit, die Messwerte kontinuierlich<br />
auf diese Regeln hin zu überprüfen. Sobald einzelne<br />
Bereiche <strong>de</strong>r Wärmeabfuhr entsprechen<strong>de</strong> Auffälligkeiten<br />
zeigen, wird das Bedienpersonal durch<br />
eine Textmeldung auf <strong>de</strong>m Monitor aufmerksam<br />
gemacht.<br />
Rule-based monitoring of the heat dissipation<br />
of a blast furnace<br />
One of the first topics to be implemented within<br />
the rules-based systems was the monitoring of the<br />
heat dissipation of the blast furnace. Experience<br />
has shown that excessive heat dissipation leads to<br />
un<strong>de</strong>sirable energy losses and ultimately results<br />
in damage to the blast furnace wall. Conversely,<br />
if dissipation remains too low for any length<br />
of time, there is a risk of sticking on the blast<br />
furnace wall. These operational experiences on<br />
heat dissipation have been translated into rules<br />
and limits and have been verified by data evaluation.<br />
Fig. 41 shows in red and blue the time spans<br />
in which the heat dissipation is <strong>de</strong>tected as being<br />
outsi<strong>de</strong> the usual range based on a comparative<br />
evaluation of the 4-hour- and 90-day-averages.<br />
The rules-based system offers the possibility of<br />
having the measured values continuously checked<br />
against these rules. As soon as any heat dissipation<br />
areas show signs of going out of range, the<br />
operating personnel is alerted by a text message<br />
on the screen.<br />
Bild / Figure 41<br />
Zeitverlauf <strong>de</strong>r Wärmeabfuhr im unteren Hochofenschacht (4-h-Mittelwerte und 90-Tages-Mittelwerte)<br />
Heat dissipation over time in the lower blast furnace stack section (4-hour and 90-day averages)<br />
© VDEh-Betriebsforschungsinstitut GmbH<br />
51
Prozesstechnik | Roheisen- und Stahlerzeugung<br />
Analyse <strong>de</strong>s Herdverschleißes am Hochofen<br />
Die Haltbarkeit <strong>de</strong>s Gestells ist für viele Hochöfen<br />
ein bestimmen<strong>de</strong>r Faktor für die mögliche Länge<br />
<strong>de</strong>r Hochofenreise. Zu<strong>de</strong>m ist das Verständnis <strong>de</strong>r<br />
Scha<strong>de</strong>nsmechanismen im Gestellmauerwerk eine<br />
wichtige Voraussetzung für die Sicherstellung von<br />
Arbeits- und Betriebssicherheit am Hochofen. Das<br />
<strong>BFI</strong> entwickelte auf Basis <strong>de</strong>r Software Comsol<br />
ein FEM-Simulationsmo<strong>de</strong>ll, mit <strong>de</strong>m die thermomechanischen<br />
Spannungszustän<strong>de</strong> im Gestell<br />
unter verschie<strong>de</strong>nen Randbedingungen ermittelt<br />
wer<strong>de</strong>n können. Dabei wur<strong>de</strong> ein innovativer Ansatz<br />
entwickelt, mit <strong>de</strong>m die Spannungszustän<strong>de</strong> radialsymmetrisch<br />
simuliert wer<strong>de</strong>n, ohne dass eine Abbildung<br />
und Berechnung <strong>de</strong>r Einzelsteine erfor<strong>de</strong>rlich<br />
ist. So wur<strong>de</strong> eine <strong>de</strong>utliche Vereinfachung und<br />
Beschleunigung <strong>de</strong>r Simulation ohne Einbuße bei<br />
<strong>de</strong>r Ergebnisqualität möglich. Die Untersuchungen<br />
zeigten, dass das Mauerwerk aufgrund <strong>de</strong>r thermischen<br />
Aus<strong>de</strong>hnung auf <strong>de</strong>r heißen Innenseite<br />
unter hoher Spannung steht, während sich auf <strong>de</strong>r<br />
kalten Außenseite <strong>de</strong>utliche Lücken zwischen <strong>de</strong>n<br />
Einzelsteinen bil<strong>de</strong>n können. Mit Hilfe <strong>de</strong>s Mo<strong>de</strong>lls<br />
wur<strong>de</strong>n die Einflüsse verschie<strong>de</strong>ner Randbedingungen<br />
auf <strong>de</strong>n thermo-mechanischen Zustand<br />
ermittelt.<br />
Bild 42 zeigt eine Beispielrechnung für <strong>de</strong>n Fall,<br />
dass sich im mittleren Bereich <strong>de</strong>s Gestellmauerwerks<br />
eine morsche Zone gebil<strong>de</strong>t hat. Die Ergebnisse<br />
zeigen, dass dort ein sehr hohes Scha<strong>de</strong>nsrisiko<br />
Analysis of blast furnace hearth wear<br />
For many blast furnaces, the durability of<br />
the hearth is a factor <strong>de</strong>termining the possible<br />
length of the blast furnace campaign. Moreover,<br />
an un<strong>de</strong>rstanding of the damage mechanisms<br />
in the hearth masonry is a major prerequisite<br />
for assuring both operational reliability of the<br />
blast furnace and occupational safety. Taking<br />
the Comsol software as the basis, <strong>BFI</strong> has engineered<br />
an FEM simulation mo<strong>de</strong>l for i<strong>de</strong>ntifying<br />
thermomechanical stresses in the hearth un<strong>de</strong>r a<br />
variety of boundary conditions. While doing so,<br />
the Institute <strong>de</strong>veloped an innovative approach<br />
allowing stress conditions to be simulated with<br />
radial symmetry without any need for mapping<br />
and calculation of the individual bricks. This<br />
has substantially simplified and accelerated the<br />
simulation process without compromising on<br />
the quality of the results. The investigations<br />
showed that because of thermal expansion the<br />
masonry is subjected to high stress on the hot<br />
inner si<strong>de</strong> whereas distinct gaps can begin to<br />
appear between the individual bricks on the cold<br />
outer si<strong>de</strong>. The mo<strong>de</strong>l was used to <strong>de</strong>termine the<br />
effects of different boundary conditions on the<br />
thermomechanical state.<br />
Fig. 42 shows a sample calculation of a case<br />
in which an unsound zone has <strong>de</strong>veloped in the<br />
middle section of the hearth masonry. The results<br />
show that there is a very great risk of damage at<br />
Bild / Figure 42<br />
Temperatur und Scha<strong>de</strong>nsrisiko im Hochofen-Gestellmauerwerk<br />
Temperature and damage risks in blast furnace hearth refractory<br />
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Process | Iron- and Steelmaking<br />
besteht. Dies erklärt die Bildung von Rissen in<br />
<strong>de</strong>r morschen Zone, die die Wärmeleitfähigkeit<br />
senkt und als Abfall <strong>de</strong>r Temperatur im äußeren<br />
Mauerwerk gemessen wer<strong>de</strong>n kann.<br />
this point. This explains the formation of cracks<br />
in the unsound zone, which lowers the heat<br />
conductivity, resulting in a measurable drop in<br />
temperature in the outer masonry.<br />
Verlängerung <strong>de</strong>r Standzeit von Hochofenblasformen<br />
Die Reduzierung unproduktiver Energieaufwendungen<br />
ist eine Möglichkeit <strong>de</strong>n Energieverbrauch<br />
von Hochöfen weiter signifikant zu senken. Unproduktive<br />
Energieaufwendungen wer<strong>de</strong>n hierbei<br />
häufig durch Betriebsstillstän<strong>de</strong> auf Grund <strong>de</strong>s<br />
Ausfalls und Wechsels <strong>de</strong>r sogenannten Blasformen<br />
hervorgerufen. Beim Stillstand <strong>de</strong>r Hochöfen wer<strong>de</strong>n<br />
zur Deckung <strong>de</strong>r Wärmeverluste große Mengen an<br />
zusätzlichem Kohlenstoff (Koks) verbraucht. Des<br />
Weiteren müssen weite Teile <strong>de</strong>r energieintensiven<br />
Hochofenperipherie (z. B. Win<strong>de</strong>rhitzer) weiter<br />
betrieben wer<strong>de</strong>n. Die Erhöhung <strong>de</strong>r Anlagenverfügbarkeit<br />
durch die Verlängerung <strong>de</strong>r Standzeit<br />
von Hochofenblasformen steigert daher die Energieund<br />
Ressourceneffizienz von Hochöfen signifikant.<br />
Im Rahmen eines Forschungsprojektes wer<strong>de</strong>n<br />
Hochofenbetreiber aus drei europäischen Län<strong>de</strong>rn<br />
mit <strong>de</strong>m <strong>BFI</strong> gemeinsam die Ursachen für das<br />
Versagen von Hochofenblasformen weiter zu<br />
erforschen und geeignete Maßnahmen zur Verlängerung<br />
<strong>de</strong>r Standzeit dieser Bauteile abzuleiten.<br />
Neben <strong>de</strong>r I<strong>de</strong>ntifizierung von Abhängigkeiten<br />
Extending the life of blast furnace tuyeres<br />
Reducing the amount of unproductive energy<br />
consumption is one way of achieving significant<br />
further reductions in the energy consumed by<br />
blast furnaces. Unproductive energy consumption<br />
is often caused by idle times due to the failure of<br />
tuyeres which then require replacement. When<br />
blast furnaces are stopped, large quantities of<br />
additional carbon (coke) are consumed in or<strong>de</strong>r<br />
to compensate for heat losses. Furthermore, a<br />
large proportion of the energy-intensive blast<br />
furnace peripherals (e.g. hot-blast stove) still have<br />
to be kept running. Increasing the level of plant<br />
availability by prolonging the life of blast furnace<br />
tuyeres therefore significantly boosts the energy<br />
and resource efficiency of the blast furnaces.<br />
In a research project, blast furnace operators<br />
from three European countries will in cooperation<br />
with <strong>BFI</strong> look more closely into the causes<br />
of blast furnace tuyere failures and find suitable<br />
measures for extending the life of this equipment<br />
type. In addition to i<strong>de</strong>ntifying correlations<br />
between blast furnace operating parameters and<br />
Bild / Figure 43<br />
Zerstörte Hochofenblasform<br />
Damaged blast furnace tuyere<br />
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53
Prozesstechnik | Roheisen- und Stahlerzeugung<br />
zwischen Betriebsparametern <strong>de</strong>s Hochofens und<br />
<strong>de</strong>r Häufigkeit von Blasformschä<strong>de</strong>n mittels multivariater<br />
statistischer Analyse wird mit Hilfe von<br />
s. g. Messblasformen die thermische Belastung an<br />
<strong>de</strong>r Spitze <strong>de</strong>r Hochofenblasform untersucht. Des<br />
Weiteren wird ein optisches Überwachungssystem<br />
für die Blasformen entwickelt. Die Ergebnisse <strong>de</strong>s<br />
Forschungsprojektes leisten einen Beitrag zur Steigerung<br />
<strong>de</strong>r Energie- und Ressourceneffizienz von<br />
Hochöfen in Europa.<br />
the frequency of tuyere damage by means of multivariate<br />
statistical analysis, measuring tuyeres will<br />
be utilised to <strong>de</strong>termine the thermal loading at<br />
the tip of the blast furnace tuyere. Besi<strong>de</strong>s this,<br />
an optical monitoring system for tuyeres will be<br />
<strong>de</strong>veloped. The results of the research project will<br />
contribute towards increasing the energy and<br />
resource efficiency of blast furnaces in Europe.<br />
Einsatz alternativer Kohlenstoffträger in <strong>de</strong>n<br />
Einblasanlagen <strong>de</strong>r Hochöfen<br />
In <strong>de</strong>n Anlagen <strong>de</strong>r Eisen- und Stahlindustrie<br />
gewinnt <strong>de</strong>r Einsatz alternativer Rohstoffe zur<br />
Verbesserung <strong>de</strong>r Versorgungssicherheit und Steigerung<br />
<strong>de</strong>r Wettbewerbsfähigkeit zunehmend an<br />
Be<strong>de</strong>utung. Voraussetzung für einen ungestörten<br />
Anlagenbetrieb mit alternativen Rohstoffen ist die<br />
Überprüfung und ggf. erfor<strong>de</strong>rliche Anpassung<br />
<strong>de</strong>r Anlagentechnik und Anlagenbetriebsweise. So<br />
wur<strong>de</strong>n im Rahmen eines internationalen Verbundvorhabens<br />
die Möglichkeiten und Grenzen <strong>de</strong>r<br />
Injektion alternativer Kohlenstoffträger über die<br />
bestehen<strong>de</strong>n Einblasanlagen in <strong>de</strong>n Hochofen-<br />
Use of alternative carbon materials in blast<br />
furnace Injection systems<br />
In the iron and steelmaking industry the use of<br />
alternative input materials is becoming increasingly<br />
key to assuring continuity of supplies and<br />
improving competitiveness. To make sure that<br />
equipment will continue to function properly<br />
when using alternative materials it is essential<br />
to review and if necessary adapt the plant technology<br />
and the operating regime. Within the<br />
scope of an international collaborative project<br />
the possibilities and limits of injecting alternative<br />
carbon materials via the existing injection systems<br />
in the blast furnace shaft were thus examined.<br />
Bild / Figure 44<br />
Verteilgefäßunterteil PCI+®V - Verfahren (Küttner/ E.S.C.H. – Essen/Unterwellenborn) zur gleichmäßigen Versorgung <strong>de</strong>r Einblaslanzen mit Ersatzreduktionsmitteln<br />
Lower part of distributor vessel in the PCI+®V plant (Küttner/ E.S.C.H. – Essen/Unterwellenborn) for uniform supply of alternative reducing agents<br />
to the injection lances.<br />
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Process | Iron- and Steelmaking<br />
schacht untersucht. Die in Labor- und Technikumsuntersuchungen<br />
gewonnen Erkenntnisse wur<strong>de</strong>n<br />
in Betriebsversuchen (Bild 44) erfolgreich in die<br />
industrielle Praxis übertragen. Für die Anlagenbetreiber<br />
wur<strong>de</strong>n praktische Regeln zur angepassten<br />
Betriebsweise <strong>de</strong>r Einblasanlagen – Fluidisierung<br />
und pneumatische För<strong>de</strong>rung - sowie Hinweise<br />
zur Anpassung <strong>de</strong>s Verschleißschutzes zusammengestellt.<br />
The findings from laboratory and pilot plant<br />
tests were successfully transferred to practice<br />
through industrial tests (Fig. 44). Practical rules<br />
were drawn up for the plant operators on how<br />
to adapt the operation of the injection systems<br />
– fluidising and pneumatic conveying – and the<br />
wear protection in the systems.<br />
Kontinuierliche Prozessüberwachung für die<br />
Flüssigmetallurgie<br />
Zur kontinuierlichen Überwachung und Analyse<br />
metallurgischer Prozesse sind genaue und ausfallsichere<br />
Messverfahren und Auswertemetho<strong>de</strong>n<br />
erfor<strong>de</strong>rlich. Hierzu entwickelt und realisiert die<br />
Abteilung Prozessmesstechnik Metallurgie <strong>de</strong>s <strong>BFI</strong><br />
zusammen mit <strong>de</strong>n Betrieben maßgeschnei<strong>de</strong>rte<br />
Verfahren für die betriebliche Praxis. Kontinuierlich<br />
arbeiten<strong>de</strong> Sensorsysteme sind effektive und wirtschaftliche<br />
Instrumente zur Prozessoptimierung<br />
bei <strong>de</strong>r Stahlerzeugung.<br />
Continuous process monitoring for liquid<br />
metallurgy<br />
Continuous monitoring and analysis of metallurgical<br />
processes calls for accurate and fail-safe<br />
measuring techniques and evaluation methods.<br />
In this area, the Measuring Techniques, Metallurgical<br />
Processes <strong>de</strong>partment at <strong>BFI</strong> works with<br />
industrial enterprises to <strong>de</strong>velop and implement<br />
tailor-ma<strong>de</strong> techniques for use in industrial practice.<br />
Continuously operating sensor systems are<br />
effective and economical instruments for optimising<br />
steelmaking processes.<br />
Verlängerung <strong>de</strong>r Lebensdauer von Ausmauerungen<br />
in Stahlwerkspfannen durch verbesserte<br />
Beständigkeit gegen thermische, thermomechanische<br />
und thermochemische Einflüsse<br />
Die Minimierung <strong>de</strong>s Verschleißes von Feuerfestmaterial<br />
ist ein wichtiges Anliegen für Stahlhersteller.<br />
Zum Einen verursacht stärkerer Verschleiß<br />
höhere Materialkosten, zum An<strong>de</strong>ren kann <strong>de</strong>r<br />
Stahlwerker mit genauerer Kenntnis <strong>de</strong>s Verschleißes<br />
die Produktivität und Sicherheit <strong>de</strong>s Stahlwerkes<br />
verbessern. Das <strong>BFI</strong> hat im Rahmen eines Vorhabens<br />
Stahlhersteller bei Entscheidungen zu Materialauswahl<br />
und Prozessparametern unterstützt, um die<br />
Lebensdauer <strong>de</strong>r Ausmauerung von Stahlwerkspfannen<br />
zu verlängern. So wur<strong>de</strong> z.B. die Haltbarkeit<br />
<strong>de</strong>r Stahlwerkspfannen durch Materialoptimierung<br />
um ca. 20 % gegenüber <strong>de</strong>m Vorjahr erhöht.<br />
Am <strong>BFI</strong> wur<strong>de</strong> ein Simulationsmo<strong>de</strong>ll entwickelt,<br />
dass die thermische und thermomechanische<br />
Belastung <strong>de</strong>r Zustellung von Stahlwerkspfannen<br />
berechnet. Es wer<strong>de</strong>n die Temperaturwechselbeanspruchungen<br />
aufgrund <strong>de</strong>r zyklischen Än<strong>de</strong>rung<br />
von Abstich, Pfannenbehandlung, Abgießen<br />
und Warmhalten <strong>de</strong>r Pfannen nach Neuzustellung<br />
mit feuerfestem Material betrachtet. Mit<br />
<strong>de</strong>m Simulationsmo<strong>de</strong>ll können verschie<strong>de</strong>ne<br />
Szenarien berechnet und evaluiert wer<strong>de</strong>n, um<br />
optimale Produkte und Prozessparameter für<br />
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Prolonging the life of linings in steelmaking<br />
ladles by improving their resistance to thermal,<br />
thermomechanical and thermochemical loading<br />
Minimizing the wear of refractory materials<br />
is an important objective for steel producers.<br />
Besi<strong>de</strong>s the fact that wear is a material cost driver,<br />
knowledge of wear mechanisms can help the<br />
steel maker to increase productivity and safety<br />
levels in the steelworks. In an RFCS project, <strong>BFI</strong><br />
assisted steel producers in selecting materials and<br />
process parameters in or<strong>de</strong>r to prolong the life of<br />
steel ladle linings. By optimising the materials,<br />
for example, it has been possible to extend the<br />
life of the steel ladles by about 20% compared<br />
to the previous year.<br />
At <strong>BFI</strong>, a simulation mo<strong>de</strong>l has been <strong>de</strong>veloped to<br />
calculate the thermal and thermomechanical load<br />
of the steel ladle lining. Thermal shock stresses<br />
due to the cyclical changes involved in tapping,<br />
ladle treatment, emptying and keeping the ladles<br />
hot are consi<strong>de</strong>red. The simulation mo<strong>de</strong>l allows<br />
different scenarios to be computed and evaluated<br />
in or<strong>de</strong>r to <strong>de</strong>termine the optimal products and<br />
process parameters for best possible durability.<br />
Fig. 45 shows an example of a numerical calculation<br />
(FEM) of the stress distribution in the corner<br />
55
Prozesstechnik | Roheisen- und Stahlerzeugung<br />
eine möglichst lange Haltbarkeit zu bestimmen.<br />
Bild 45 zeigt exemplarisch eine numerische Berechnung<br />
(FEM) <strong>de</strong>r Spannungsverteilung in <strong>de</strong>r Ecke<br />
eines Wandsteins nach Aufheizen nach Neuzustellung.<br />
Die Berechnung erfolgte für drei verschie<strong>de</strong>ne<br />
Steingeometrien, um zu untersuchen, ob durch<br />
Abschrägen o<strong>de</strong>r Abrun<strong>de</strong>n <strong>de</strong>r Ecke die lokal sehr<br />
hohen Spannungen in <strong>de</strong>r Ecke verringert und<br />
so Abplatzungen verhin<strong>de</strong>rt wer<strong>de</strong>n können. Die<br />
abgeschrägte und abgerun<strong>de</strong>te Ecke zeigt zwar<br />
direkt an <strong>de</strong>r Oberfläche zum Stahl geringere Spannungen,<br />
die lokal sehr hohen Spannungen wer<strong>de</strong>n<br />
allerdings zur neuen Kontaktfläche hin verschoben.<br />
Die Berechnung mittels FEM konnte so aufwändige<br />
Versuche im laufen<strong>de</strong>n Betrieb ersetzen.<br />
of a wall brick after heating following relining.<br />
The calculation was performed for three different<br />
brick geometries in or<strong>de</strong>r to investigate whether<br />
chamfering or rounding of the edges could prevent<br />
the locally very high stresses in the corner, thus<br />
avoiding spalling. Although the chamfered and<br />
roun<strong>de</strong>d corner shows lower stresses directly<br />
at the surface where it contacts the steel, the<br />
locally very high stresses have simply shifted<br />
to the new contact area. The FEM computation<br />
therefore replaced costly and time-consuming<br />
tests in day-to-day operation.<br />
Überwachung <strong>de</strong>s Abschlackens von Stahlwerkspfannen<br />
zur Verbesserung von Ausbringung und<br />
Stahlqualität<br />
Das <strong>BFI</strong> entwickelt ein System zur Überwachung<br />
<strong>de</strong>s Abschlackens von Stahlwerkspfannen mit<br />
dazugehöriger Bildverarbeitung und Prozessbewertung<br />
sowie ein dynamisches Prozessmo<strong>de</strong>ll zur<br />
Schlackenbilanzierung. Ziel ist ein verbesserter<br />
Abschlackvorgang, bei <strong>de</strong>m sowohl <strong>de</strong>r verbleiben<strong>de</strong><br />
Schlackenanteil auf <strong>de</strong>r Schmelze als auch<br />
<strong>de</strong>r Verlust an mitgelaufenem flüssigem Stahl<br />
minimiert ist. Basierend auf <strong>de</strong>r Bilanzierung von<br />
Gewicht und Zusammensetzung <strong>de</strong>r verbleiben<strong>de</strong>n<br />
Pfannenschlacke sollen Schlackenbildnerzugaben<br />
Monitoring of <strong>de</strong>slagging of steel ladles to<br />
improve the yield and quality of steel<br />
<strong>BFI</strong> <strong>de</strong>velops a system to monitor the <strong>de</strong>slagging<br />
of steelmaking ladles with associated image<br />
processing and process evaluation, as well as a<br />
dynamic process mo<strong>de</strong>l for slag balance calculations.<br />
The aim is to improve the <strong>de</strong>slagging process<br />
by minimising both the residual slag on the melt<br />
and the amount of liquid steel entrained with the<br />
slag. Based on the balance of weight and composition<br />
of the residual ladle slag, the addition of slag<br />
forming agents is to be computed to achieve the<br />
optimal conditions for <strong>de</strong>sulphurisation during<br />
Bild / Figure 45<br />
Berechnete Spannungsverteilung in einer Stahlwerkspfanne sowie in<br />
verschie<strong>de</strong>nen Einzelsteinvarianten mit unterschiedlichen Eckengeometrien<br />
nach <strong>de</strong>m Vorheizen <strong>de</strong>r Pfanne<br />
Calculated stress distribution in a steel ladle and in various brick<br />
scenarios with different corner geometries after preheating of the<br />
ladle<br />
Bild / Figure 46<br />
Abschlacken einer Stahlwerkspfanne<br />
Deslagging of a steel ladle<br />
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Process | Iron- and Steelmaking<br />
zur Einstellung optimaler Bedingungen für die<br />
Entschwefelung während <strong>de</strong>r nachfolgen<strong>de</strong>n Pfannenbehandlung<br />
berechnet wer<strong>de</strong>n.<br />
Bild 46 zeigt einen typischen Abschlackvorgang<br />
einer Stahlwerkspfanne, aufgenommen mit einer<br />
CCD-Kamera.<br />
the following ladle treatment operation.<br />
Fig. 46 shows a typical <strong>de</strong>slagging operation in a<br />
steelmaking ladle, recor<strong>de</strong>d using a CCD camera.<br />
Gasströmung<br />
In vielen Prozessstufen <strong>de</strong>r Roheisen- und Stahlerzeugung<br />
müssen staubbela<strong>de</strong>ne Gase erfasst<br />
und gereinigt wer<strong>de</strong>n. Für <strong>de</strong>n Wirkungsgrad von<br />
Absauganlagen und Staubabschei<strong>de</strong>rn sind die Strömungsverhältnisse<br />
von entschei<strong>de</strong>n<strong>de</strong>r Be<strong>de</strong>utung.<br />
Hier liefert die Kombination von Betriebsmessungen<br />
mit Mo<strong>de</strong>llversuchen sowie Simulationsrechnungen<br />
wichtige Erkenntnisse und Entscheidungshilfen,<br />
bestehen<strong>de</strong> Anlagen geeignet zu optimieren bzw.<br />
für geplante Anlagen bereits im Vorfeld funktionsoptimierte<br />
wirtschaftliche Konzepte zu erarbeiten.<br />
Ein wichtiger und stark nachgefragter Arbeitsbereich<br />
ist die Optimierung <strong>de</strong>r Entstaubung von<br />
Konverter- und Elektrostahlwerken sowohl in Deutschland<br />
und als auch im europäischen Ausland. Hierzu<br />
zählt auch die Erfassung von diffusen Emissionen bei<br />
Umfüllvorgängen sowie an Spülstän<strong>de</strong>n. Im Rahmen<br />
eines Pilot- und Demonstrationsvorhabens wur<strong>de</strong><br />
ein Verfahren zur Unterdrückung <strong>de</strong>r Rauchbildung<br />
beim Chargieren <strong>de</strong>s Konverters entwickelt.<br />
Bild 47 a) zeigt die Flammen- und Rauchausbreitung<br />
beim Roheisenchargieren in einen betrieb-<br />
Gas flow<br />
Many process stages in iron and steelmaking<br />
require the capture and cleaning of dust-la<strong>de</strong>n<br />
gases. The efficiency of extraction and dust separator<br />
systems <strong>de</strong>pends, first and foremost, on<br />
the un<strong>de</strong>rlying flow conditions. In this respect, a<br />
combination of operating trials and mo<strong>de</strong>l tests,<br />
supported by numerical simulations, can provi<strong>de</strong><br />
important insights and <strong>de</strong>cision-making aids when<br />
it comes to upgrading existing equipment or<br />
to <strong>de</strong>veloping functionally optimised and costefficient<br />
solutions for planned new installations.<br />
A significant area of work, for which there is<br />
high <strong>de</strong>mand both in Germany and in other European<br />
countries, is the optimisation of <strong>de</strong>dusting<br />
in converter and electric steel making shops. This<br />
inclu<strong>de</strong>s the recording of diffuse emissions during<br />
charging, melting and tapping, as well as in stirring<br />
stations. During a pilot and <strong>de</strong>monstration project,<br />
a method was <strong>de</strong>veloped to suppress fumes when<br />
charging the converter.<br />
Fig. 47 a) shows the flame and fume propagation<br />
during hot-metal charging in an industrial<br />
Bild / Figure 47<br />
Flammen- und Rauchausbreitung beim Roheisenchargieren in <strong>de</strong>n Konverter, a) Betriebsanlage ohne Inertisierung, b) Betriebsanlage mit<br />
Inertisierung<br />
Flame and fume propagation during hot-metal charging to the converter, a) Industrial plant without inertisation, b) Plant with inertisation<br />
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57
Prozesstechnik | Roheisen- und Stahlerzeugung<br />
lichen Konverter mit Sekundärabsaugung. In<br />
Bild 47 b) ist die gleiche Betriebsphase für <strong>de</strong>n Fall<br />
mit Inertisierung durch CO 2<br />
-Schnee dargestellt. Die<br />
Sauerstoffkonzentration im Bereich <strong>de</strong>r Schmelze<br />
ist nun so gering, dass die Entstehung <strong>de</strong>s „braunen<br />
Rauches“ weitgehend unterdrückt wird.<br />
Für das gleiche Stahlwerk wur<strong>de</strong>n die Chargierhauben<br />
einer Sekundärabsaugung entworfen, die<br />
nun erfolgreich in Betrieb gegangen ist. Flammen<br />
und Rauch wer<strong>de</strong>n nun wie in <strong>de</strong>r numerischen<br />
Simulation ermittelt, siehe Bild 48 a), in <strong>de</strong>r Betriebsanlage<br />
nahezu vollständig erfasst, Bild 48 b).<br />
Eine zusätzliche Dachabsaugung, die vom <strong>BFI</strong><br />
optimiert wur<strong>de</strong>, wird in Kürze realisiert.<br />
converter with secondary extraction. Fig. 47 b)<br />
shows the same process phase for the case with<br />
inertisation by CO 2<br />
snow. The oxygen concentration<br />
around the melt is now so low that the generation<br />
of the “brown fumes” is largely suppressed.<br />
For the same steel mill, charging hoods have<br />
been <strong>de</strong>signed for a secondary extraction system<br />
that has now been successfully commissioned. As<br />
<strong>de</strong>termined previously in the numerical simulations,<br />
see Fig. 48 a), flames and fumes are now<br />
being captured almost completely in the operational<br />
industrial plant, Fig. 48 2b).<br />
An additional roof extraction system, which<br />
has been optimised by <strong>BFI</strong>, will be implemented<br />
shortly.<br />
Optimierung <strong>de</strong>s Reinheitsgradspülens bei <strong>de</strong>r<br />
sekundärmetallurgischen Behandlung<br />
Zur Erzielung höchster Reinheitsgra<strong>de</strong> bei<br />
hochwertigen Stahlgüten ist es erfor<strong>de</strong>rlich, unerwünschte<br />
nichtmetallische Einschlüsse aus <strong>de</strong>r<br />
Schmelze zu entfernen. Für die Reinheitsgradverbesserung<br />
bei <strong>de</strong>r sekundärmetallurgischen<br />
Behandlung wird hierzu das Spülen <strong>de</strong>r Schmelze<br />
mit Inertgas eingesetzt (Reinheitsgradspülen).<br />
Optimisation of cleanliness improvement stirring<br />
during secondary metallurgy treatment<br />
To achieve the highest <strong>de</strong>gree of cleanliness<br />
in high-gra<strong>de</strong> steels, un<strong>de</strong>sirable non-metallic<br />
inclusions need to be removed from the melt.<br />
During secondary metallurgy treatment, the melt<br />
is therefore stirred with inert gas to improve its<br />
cleanliness (soft bubbling). Suitable strategies<br />
must be <strong>de</strong>veloped for this stirring in the ladle.<br />
Bild / Figure 48<br />
Flammen- und Rauchausbreitung beim Roheisenchargieren in <strong>de</strong>n Konverter mit optimierter Sekundärabsaugung, a) numerische Simulation,<br />
b) Bestätigung im Betrieb<br />
Flame and fume propagation during hot-metal charging to the converter with optimised secondary extraction, a) Numerical simulation b) Confirmation<br />
in industrial practice<br />
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Process | Iron- and Steelmaking<br />
Hierfür müssen geeignete Spülstrategien in <strong>de</strong>r<br />
Pfanne entwickelt wer<strong>de</strong>n.<br />
In physikalischen Mo<strong>de</strong>lluntersuchungen wur<strong>de</strong><br />
hierzu zunächst das Geschwindigkeitsfeld in <strong>de</strong>r<br />
Pfanne bei unterschiedlichen Spülsteinpositionen<br />
und Spülraten bestimmt, um grundsätzliche Informationen<br />
zu <strong>de</strong>n Strömungsverhältnissen zu erhalten.<br />
Bild 49 zeigt die hierzu eingesetzte Versuchsanlage.<br />
Weiterhin wur<strong>de</strong>n nichtmetallischen Einschlüsse<br />
durch Glashohlkugeln Durchmessers simuliert,<br />
wobei das Dichteverhältnis zwischen Wasser und<br />
Kugeln <strong>de</strong>m zwischen Aluminiumoxid und <strong>de</strong>r<br />
Stahlschmelze entspricht. Mit einem laser-optischen<br />
Messverfahren (Phasen-Doppler-Anemometrie)<br />
wur<strong>de</strong> in <strong>de</strong>r Mo<strong>de</strong>llpfanne <strong>de</strong>r zeitliche Verlauf<br />
<strong>de</strong>r Konzentration- und Durchmesserverteilung<br />
<strong>de</strong>r simulierten Einschlüsse bestimmt. Konkrete<br />
Informationen zum Einfluss vom Spülgasvolumenstrom<br />
sowie Position und Anzahl <strong>de</strong>r Spülsteine auf<br />
die Einschlussabscheidung können so gewonnen<br />
wer<strong>de</strong>n.<br />
Zusätzlich wur<strong>de</strong>n numerische Simulationsrechnungen<br />
durchgeführt, in <strong>de</strong>nen neben <strong>de</strong>n<br />
mehrphasigen Strömungsverhältnissen (Schmelze/<br />
Gasblasen/Einschlüsse) auch die thermischen Bedingungen<br />
berücksichtigt wur<strong>de</strong>n. Insbeson<strong>de</strong>re wur<strong>de</strong><br />
In physical mo<strong>de</strong>l studies the velocity field<br />
insi<strong>de</strong> the ladle was therefore <strong>de</strong>termined for<br />
different stirring plug positions and stirring rates<br />
in or<strong>de</strong>r to obtain basic information on the flow<br />
conditions. Fig. 49 shows the test facility used for<br />
this purpose. Furthermore, non-metallic inclusions<br />
were simulated using hollow glass spheres,<br />
where the <strong>de</strong>nsity ratio between water and spheres<br />
correspon<strong>de</strong>d to that of alumina and the steel<br />
melt. Using a laser-optical measuring technique<br />
(Phase Doppler Anemometry), the concentration<br />
and diameter distribution of the simulated<br />
inclusions in the mo<strong>de</strong>l were <strong>de</strong>termined over<br />
time. Concrete information was thus obtained<br />
regarding how the stirring gas flow rate and the<br />
position and number of stirring plugs influences<br />
the separation of inclusions.<br />
In addition, numerical simulations were<br />
performed which took into account the thermal<br />
conditions as well as the multi-phase flow patterns<br />
(melt / gas bubbles / inclusions). The simulations<br />
also focused especially on the agglomeration of<br />
Bild / Figure 49<br />
Physikalisches Pfannenmo<strong>de</strong>ll mit laser-optischem Messsystem<br />
Physical ladle mo<strong>de</strong>l with laser-optical measuring system<br />
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59
Prozesstechnik | Roheisen- und Stahlerzeugung<br />
auch die Agglomeration <strong>de</strong>r Einschlüsse simuliert,<br />
Bild 50 zeigt das numerisch berechnete Geschwindigkeitsfeld<br />
<strong>de</strong>r simulierten Stahlschmelze für<br />
unterschiedliche Spülsteinpositionen in einem<br />
Pfannenmo<strong>de</strong>ll.<br />
Als Ergebnis <strong>de</strong>r Untersuchungen wer<strong>de</strong>n konkrete<br />
Strategien für das Reinheitsgradspülen erwartet, die<br />
eine verbesserte Einschlussabscheidung ermöglichen.<br />
inclusions. Fig. 50 shows the numerically calculated<br />
velocity field of the simulated steel melt for<br />
different stirring plug positions in a ladle mo<strong>de</strong>l.<br />
The studies are expected to provi<strong>de</strong> concrete<br />
strategies for cleanliness improvement stirring<br />
which will enable better separation of inclusions.<br />
Verbesserung <strong>de</strong>s Chrom-Ausbringens im Elektrolichtbogenofen<br />
durch Einsatz von sekundären<br />
Al-Mg-Trägern<br />
Zur Verbesserung <strong>de</strong>s Chrom-Ausbringens bei <strong>de</strong>r<br />
Erzeugung nichtrosten<strong>de</strong>r Stähle im Elektrolichtbogenofen<br />
(LBO) erfolgten Untersuchungen zum<br />
Einsatz brikettierter, sekundärer Al-Mg-Träger als<br />
Reduktionsmittel kombiniert mit <strong>de</strong>n herkömmlichen<br />
Einblasen von Aluminiumgranulat.<br />
Zu diesem Zweck hat das <strong>BFI</strong> in Zusammenarbeit<br />
mit BGH E<strong>de</strong>lstahl Siegen GmbH umfangreiche<br />
Betriebsversuche durchgeführt. Ziel ist dabei die<br />
Optimierung <strong>de</strong>r Einsatzmenge <strong>de</strong>r Al-Mg-Presslinge,<br />
so dass <strong>de</strong>r Chromoxidmassenanteil <strong>de</strong>r Schlacke<br />
unter einen Zielwert von 2 % reduziert wer<strong>de</strong>n kann,<br />
sowie die Einsparung von Betriebskosten.<br />
Ein weiterer wichtiger Aspekt ist die Stabilisierung<br />
<strong>de</strong>s Rest-Chroms in <strong>de</strong>r Schlacke, wodurch<br />
aus <strong>de</strong>r Produktschlacke ein umweltverträgliches<br />
Material wird. Bei <strong>de</strong>n Betriebsversuchen wur<strong>de</strong><br />
das teurere, eingeblasene Aluminium-Granulat als<br />
Improvement of Chromium-yield in the EAF by<br />
use of briquetted Al-Mg containing filings<br />
For improvement of the chromium yield in<br />
the EAF during stainless steel making, the use<br />
of briquetted metal residuals from light metal<br />
machining as reductant has been investigated<br />
combined with the use of granulated aluminium<br />
injection.<br />
The aim has been to opti-mize the amount<br />
of ad<strong>de</strong>d briquettes containing Al and Mg as<br />
reductants in or<strong>de</strong>r to achieve a chromium oxi<strong>de</strong><br />
content in the EAF slag below 2 wt.-% and to save<br />
operational costs. Another important aspect is the<br />
stabilisation of the remaining chromium, turning<br />
the slag into a material for building purposes.<br />
During the trials, the costly injected Al has been<br />
substituted stepwise by low cost Al-Mg briquettes.<br />
The use of Al-Mg briquettes at the EAF during<br />
stainless steelmaking has clearly <strong>de</strong>monstrated<br />
its ability to recover the chromium out of the slag<br />
Bild / Figure 50<br />
Numerisch berechnetes Geschwindigkeitsfeld in einem Pfannenmo<strong>de</strong>ll beim Reinheitsgradspülen mit, a) zentrischer Spülsteinposition b) exzentrischer<br />
Spülsteinposition<br />
Numerically calculated velocity field in a ladle mo<strong>de</strong>l during cleanliness improvement stirring with, a) centrally positioned stirring plug ,<br />
b) eccentrically positioned stirring plug<br />
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Process | Continuous Casting and Forming<br />
Reduktionsmittel in verschie<strong>de</strong>nen Schritten durch<br />
<strong>de</strong>utlich preiswerte Al-Mg-Presslinge ersetzt, die<br />
per Schrottkorb chargiert wur<strong>de</strong>n. Die Verwendung<br />
<strong>de</strong>r Al-Mg-Presslinge eignet sich gegenüber <strong>de</strong>r<br />
bisherigen Verfahrensweise klar zur Verbesserung<br />
<strong>de</strong>s Chrom-Ausbringens im LBO. Mit einer Einsatzmenge<br />
von > 14 kg/t Al-Mg Presslingen sowie einer<br />
Einblasmenge von < 3 kg/t Aluminiumgranulat<br />
konnte <strong>de</strong>r Chromoxid-Massenanteil in <strong>de</strong>r Schlacke<br />
meist unter 2 % verringert wer<strong>de</strong>n.<br />
Die Produktschlacke hierbei lässt aufgrund ihrer<br />
Zusammensetzung eine sehr geringe Chrom Elution<br />
erwarten, was die Voraussetzung für die Verwen<br />
dung als Baumaterial (z. B. Deponiebaustoff) ist.<br />
Die Chargierung <strong>de</strong>r Al-Mg Presslinge erfolgt<br />
auf einfache Weise über Big-Bags, die zum letzten<br />
Schrottkorb gegeben wer<strong>de</strong>n. Eine weitere Verbesserung<br />
<strong>de</strong>r Reduktions-Effizienz wird erwartet durch<br />
Direktzugabe von Al-Mg Presslingen zur flüssigen<br />
Schlacke während <strong>de</strong>r Flachbadphase über das<br />
4. Deckelloch <strong>de</strong>s LBO.<br />
leading to <strong>de</strong>creased chromium oxi<strong>de</strong> content.<br />
The optimal amount of the reductants for the<br />
new procedure is > 14 kg/t of Al-Mg briquettes<br />
and < 3 kg/t of injected aluminium. With this<br />
procedure, a chromium oxi<strong>de</strong> content of lower<br />
than 2 wt.-% was achieved.<br />
For the resulting solid slag product an extremely<br />
low Cr elution is expected, which is the prerequisite<br />
for a use as building material.<br />
The charging of the Al-Mg briquettes is applied<br />
easily by charging of a big-bag with the briquettes<br />
to the last scrap basket. A further improvement<br />
of the reduction efficiency is expected by direct<br />
charging of suitable sized Al-Mg briquettes during<br />
the flat bath period to the liquid slag via the 4th<br />
hole of the EAF.<br />
Untersuchungen zu mehrphasigen Strömungen in<br />
Stranggießkokillen<br />
Eine fehlerfreie Erstarrung <strong>de</strong>r flüssigen Stahlschmelze<br />
in <strong>de</strong>r Stranggießkokille erfor<strong>de</strong>rt auch<br />
eine möglichst genaue Kenntnis <strong>de</strong>r Auswirkung<br />
einzelner Gießparameter auf die mehrphasigen<br />
Strömungsverhältnisse in <strong>de</strong>r Kokille, da diese die<br />
Produktqualität beeinflussen. So können z.B. hohe<br />
Strömungsgeschwindigkeiten an <strong>de</strong>r Grenzfläche<br />
Schmelze/flüssiges Gießpulver zum Einschluss von<br />
Gießpulver im erstarren<strong>de</strong>n Strang führen. Eine<br />
Investigations into multi-phase flow patterns in<br />
continuous casting moulds<br />
Defectfree solidification of the liquid steel melt<br />
in the continuous casting mould requires the<br />
most <strong>de</strong>tailed knowledge possible regarding the<br />
effects of individual casting parameters on the<br />
multi-phase flow conditions in the mould, since<br />
these affect the product quality. As an example,<br />
high flow velocities at the interface between the<br />
melt and the liquid mould flux can lead to entrappment<br />
of mould flux in the solidifying strand. If<br />
Bild / Figure 51<br />
Al-Mg Pressling<br />
Al-Mg briquette<br />
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61
Prozesstechnik | Strangguss und Umformtechnik<br />
zu dünne flüssige Gießpulverschicht kann unter<br />
Umstän<strong>de</strong>n zu einer ungenügen<strong>de</strong>n Strangschmierung<br />
und damit zu Störungen <strong>de</strong>s Gießprozesses<br />
führen.<br />
Ziel war es daher, konkrete Angaben zu diesen<br />
Gießparametern in Form sogenannter „Betriebsfenster“<br />
zu erarbeiten, <strong>de</strong>ren Einhaltung die gefor<strong>de</strong>rte<br />
Produktqualität gewährleistet. Hierzu wur<strong>de</strong>n<br />
physikalische Mo<strong>de</strong>lluntersuchungen und numerische<br />
Simulationsrechnungen zu <strong>de</strong>n mehrphasigen<br />
Strömungsverhältnissen durchgeführt.<br />
In physikalischen Mo<strong>de</strong>lluntersuchungen wur<strong>de</strong>n<br />
mittels Strömungssichtbarmachung grundlegen<strong>de</strong><br />
Information zu <strong>de</strong>n Strömungsverhältnissen in <strong>de</strong>r<br />
Kokille gewonnen. Bild 52 zeigt die hierzu eingesetzte<br />
Versuchsanlage. Unter Anwendung <strong>de</strong>r Ähnlichkeitstheorie<br />
wur<strong>de</strong>n die Stahlschmelze und das Gießpulver<br />
mit Wasser und einem entsprechen<strong>de</strong>n Öl simuliert.<br />
Die Teilbil<strong>de</strong>r Bild 53 a) - c) zeigen beispielhaft die<br />
in <strong>de</strong>r Kokille sichtbargemachten Vorgänge an <strong>de</strong>r<br />
Grenzfläche <strong>de</strong>r bei<strong>de</strong>n simulierten Phasen Stahlschmelze<br />
(gelb) und flüssiges Gießpulver (rot). Hier<br />
wer<strong>de</strong>n unterschiedliche Stranggießgeschwindigkeiten<br />
verglichen. Deutlich ist in Teilbild 53 c) ein<br />
Eintrag von simuliertem Gießpulver zu sehen. Teilbild<br />
53 d) zeigt die Wellenhöhen für unterschiedliche<br />
Gießgeschwindigkeiten und Eintauchtiefen <strong>de</strong>s<br />
Tauchrohres. Rot markiert ist ein Bereich, ab <strong>de</strong>m<br />
eine hinsichtlich eines Gießpulvereintrages kritische<br />
Wellenhöhen an <strong>de</strong>r Grenzfläche gegeben sind.<br />
the liquid flux layer is too thin, this can result in<br />
insufficient lubrication of the strand and cause<br />
disturbances in the casting process.<br />
The aim was therefore to establish concrete<br />
data on these casting parameters in the form of<br />
“operating windows” within which the parameters<br />
have to be kept in or<strong>de</strong>r to assure the required<br />
product quality. Studies on physical mo<strong>de</strong>ls and<br />
numerical simulations were thus performed to<br />
investigate the multi-phase flow conditions.<br />
In the physical mo<strong>de</strong>ls the flow was visualised,<br />
allowing basic information to be gained on the<br />
flow conditions insi<strong>de</strong> the mould. Fig. 80015-1<br />
shows the test facility used for this purpose. By<br />
applying similarity theory, the steel melt and<br />
the mould flux were simulated with water and<br />
a suitable oil. The pictures in Fig. 53 a) - c) show<br />
examples of the conditions ma<strong>de</strong> visible in the<br />
mould at the interface between the two simulated<br />
phases, the steel melt (yellow) and the liquid<br />
mould flux (red). Different casting speeds are<br />
compared here. In Fig. 53 c) it can be clearly<br />
seen that some simulated mould flux has been<br />
entrained. Fig. 53 d) shows the wave heights for<br />
different casting velocities and the immersion<br />
<strong>de</strong>pths of the submerged entry nozzle. Marked<br />
in red is an area in which the wave heights at<br />
the interface are critical with respect to mould<br />
flux entrapment.<br />
Bild / Figure 52<br />
Physikalisches Mo<strong>de</strong>ll <strong>de</strong>r Stranggießkokille, ausgestattet mit mo<strong>de</strong>rnster PIV-Lasermesstechnik und Ultraschallsensoren<br />
Physical mo<strong>de</strong>l of the continuous casting mould, equipped with advanced PIV laser measuring technology and ultrasound sensors<br />
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Process | Continuous Casting and Forming<br />
a) b)<br />
c)<br />
d)<br />
Bild / Figure 53<br />
Strömungsvisualisierung <strong>de</strong>r Zweiphasen-Strömung (Wasser/Öl) in <strong>de</strong>r Stranggießkokille für a) Vcast=0.6 m/min, b) Vcast=0.9 m/min, c) Vcast=1.2 m/<br />
min, d) bestimmte Wellenhöhe,<br />
Flow Visualisation of the two-phase flow (water/oil) in continuous casting mould, a) Vcast=0.6 m/min, b) Vcast=0.9 m/min, c) Vcast=1.2 m/min ,<br />
d) Wave height <strong>de</strong>pending on casting speed<br />
Bild / Figure 54<br />
Numerisch berechnetes Temperaturfeld für einen Teilbereich einer Senkrecht-Stranggießanlage, a)Oberfläche <strong>de</strong>s Strangs, b) Symmetrie-Ebene im<br />
Strang<br />
Numerically calculated temperature field for a section of a vertical continuous casting plant, a) Strand surface, b) Symmetry plane in the strand<br />
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63
Prozesstechnik | Strangguss und Umformtechnik<br />
Unter Verwendung temperaturabhängiger Stoffwerte<br />
wur<strong>de</strong>n zusätzlich numerische Simulationsrechnungen<br />
durchgeführt. In diesen komplexen dreidimensionalen<br />
und zeitabhängigen Berechnungen<br />
wur<strong>de</strong>n Strömung, Erstarrung und das Verhalten<br />
<strong>de</strong>s flüssigen Gießpulvers auch unter <strong>de</strong>m Einfluss<br />
<strong>de</strong>r Kokillenoszillation berücksichtigt, Bild 54. In<br />
Abhängigkeit relevanter Gießparameter konnten<br />
Informationen zu Temperaturen, Gießpulverver-<br />
Numerical simulations were also performed<br />
using temperature-<strong>de</strong>pen<strong>de</strong>nt material properties.<br />
In these complex three-dimensional and<br />
time-<strong>de</strong>pen<strong>de</strong>nt calculations, the flow conditions,<br />
solidification and the behaviour of the liquid<br />
mould flux were also consi<strong>de</strong>red un<strong>de</strong>r the influence<br />
of mould oscillation. It was also possible<br />
to obtain information on temperatures Fig. 54,<br />
mould flux consumption and the formation of<br />
Bild / Figure 55<br />
Untersuchungen <strong>de</strong>r Grenzfläche Schmelze/Gießpulver, a) Schema <strong>de</strong>r Versuchsanlage mit eingebauter Strangschale und Ölabzug, b) Simulation<br />
Studies of the liquid steel/mould flux interface, a) Schematic of the test facility with integrated strand shell and oil outflow, b) Simulation<br />
Bild / Figure 56<br />
Experimentell bestimmtes Geschwindigkeitsfeld in <strong>de</strong>r Mo<strong>de</strong>llkokille mit Detailansicht an <strong>de</strong>r Kokillenwand<br />
Experimentally <strong>de</strong>termined velocity field in the mould mo<strong>de</strong>l with <strong>de</strong>tailed view at the mould wall<br />
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Process | Continuous Casting and Forming<br />
brauch und <strong>de</strong>r Ausbildung von Oszillationsmarken<br />
gewonnen wer<strong>de</strong>n.<br />
In weiterführen<strong>de</strong>n Untersuchungen wur<strong>de</strong> <strong>de</strong>r<br />
Gießpulverabzug in <strong>de</strong>n Gießspalt zwischen Kokillenwand<br />
und Strangschale berücksichtigt. Dazu wur<strong>de</strong><br />
im Mo<strong>de</strong>ll auch die Strangschale mit Gießpulverabzug<br />
simuliert, Bild 55. Mit Hilfe eines laser-optischen<br />
Messverfahrens (Particle-Image-Velocimetry) wur<strong>de</strong><br />
das Strömungsfeld in <strong>de</strong>r simulierten Schmelze und<br />
<strong>de</strong>m Gießpulver bestimmt. Bild 56 zeigt beispielhaft<br />
diese Geschwindigkeitsfel<strong>de</strong>r und in <strong>de</strong>r Detailansicht<br />
das in <strong>de</strong>n Spalt abfließen<strong>de</strong> Gießpulver.<br />
oscillation marks in relation to the relevant casting<br />
parameters. As a result of these studies various<br />
<strong>de</strong>sign and process engineering measures were<br />
<strong>de</strong>vised which are expected to improve product<br />
quality and increase the yield.<br />
In further studies, the infiltration of the mould<br />
flux in the casting gap between the mould wall<br />
and the strand shell was consi<strong>de</strong>red. To do this,<br />
the strand shell with mould flux outflow was<br />
simulated, Fig 55. A laser-optical measuring technique<br />
(particle image velocimetry) was used to<br />
<strong>de</strong>termine the flow velocity field in the simulated<br />
melt and the mould flux. Fig. 56 shows an example<br />
of these velocity fields and a <strong>de</strong>tail view of the<br />
mould flux flowing off in the gap.<br />
Vermeidung <strong>de</strong>s Schlackemitlaufens in Stranggießverteilern<br />
Zum Gießen<strong>de</strong> hin kommt es beim Entleeren <strong>de</strong>s<br />
Stranggießverteilers zu einer Wirbeltrombe über<br />
<strong>de</strong>m Verteilerausguss. Um <strong>de</strong>n daraus resultieren<strong>de</strong>n<br />
Einzug von Verteilerab<strong>de</strong>ckmasse zu verhin<strong>de</strong>rn,<br />
<strong>de</strong>r <strong>de</strong>n Reinheitsgrad <strong>de</strong>s Gießproduktes unzulässig<br />
verschlechtern kann, wird unter Umstän<strong>de</strong>n <strong>de</strong>r<br />
Gießprozess vorzeitig been<strong>de</strong>t und es verbleibt<br />
eine unnötig große Menge an Restschmelze im<br />
Verteiler. Durch <strong>de</strong>n gezielten Einsatz feuerfester<br />
Einbauten am Verteilerauslass kann das Auftreten<br />
<strong>de</strong>s Schlackemitlaufens verhin<strong>de</strong>rt bzw. verzögert<br />
und so die Ausbringung erhöht wer<strong>de</strong>n.<br />
Mittels physikalischer Mo<strong>de</strong>lluntersuchungen und<br />
numerischer Simulationsmetho<strong>de</strong>n wur<strong>de</strong>n die Strömungsverhältnisse<br />
hinsichtlich <strong>de</strong>s Schlackemitlaufens<br />
systematisch untersucht. Bild 57 zeigt beispielhaft<br />
die im Mo<strong>de</strong>llversuch simulierte Ausbildung einer<br />
Wirbeltrombe für unterschiedliche Verteilerkonfi-<br />
Avoidance of slag carryover in continuous<br />
caster tundishes<br />
At the end of casting, when the continuous<br />
caster tundish is emptying, a vortex forms above<br />
the tundish outlet. In or<strong>de</strong>r to avoid slag being<br />
carried over from the tundish and causing an<br />
un<strong>de</strong>sired <strong>de</strong>terioration in the cleanliness of the<br />
as-cast product, the casting process is often prematurely<br />
terminated, leaving an unnecessarily large<br />
amount of the melt in the tundish. By targeted<br />
placement of refractory fittings at the tundish<br />
outlet, the occurrence of slag carryover can be<br />
prevented or <strong>de</strong>layed, thus increasing the yield.<br />
The flow conditions regarding slag carryover<br />
have been systematically investigated by means<br />
of studies on physical mo<strong>de</strong>ls as well as numerical<br />
simulations. Fig. 57 shows an example of the<br />
vortex simulated in the tests on the mo<strong>de</strong>l for<br />
different tundish configurations. A variety of<br />
Bild / Figure 57<br />
Simuliertes Schlackemitlaufen im physikalischen Mo<strong>de</strong>llversuch: a)ohne Einbauteil, b) mit Einbauteil<br />
Simulated slag carryover in a test with a physical mo<strong>de</strong>l, a) without fitting, b) with fitting<br />
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65
Prozesstechnik | Strangguss und Umformtechnik<br />
gurationen. Zur Beeinflussung <strong>de</strong>r Auslaufströmung<br />
wur<strong>de</strong>n unterschiedliche Varianten von Feuerfesteinbauten<br />
untersucht. Dabei konnte <strong>de</strong>r positive Einfluss<br />
<strong>de</strong>r feuerfesten Einbauteile auf die Minimierung<br />
<strong>de</strong>s Füllstan<strong>de</strong>s nachgewiesen wer<strong>de</strong>n, Bild 58. Die<br />
numerischen Simulationsrechnungen gaben bei <strong>de</strong>n<br />
durchgeführten Untersuchungen Aufschluss über <strong>de</strong>n<br />
instationären Temperaturverlauf in <strong>de</strong>r Schmelze.<br />
Damit konnte <strong>de</strong>r Nachweis erbracht wer<strong>de</strong>n, dass<br />
die Schmelzentemperatur durch die Einbauten nicht<br />
signifikant im Hinblick auf ein „Einfrieren“ <strong>de</strong>r Stränge<br />
beeinflusst wird, Bild 59.<br />
Als Ergebnis <strong>de</strong>r Untersuchungen konnte die<br />
optimale konstruktive Ausführung und Position<br />
<strong>de</strong>r Einbauteile erarbeitet wer<strong>de</strong>n, bei <strong>de</strong>ren Einsatz<br />
das Schlackemitlaufen <strong>de</strong>utlich später einsetzt.<br />
refractory fittings were investigated to see how<br />
they influenced the outflow during emptying.<br />
The positive influence of the refractory fittings in<br />
minimising the final filling level was <strong>de</strong>monstrated,<br />
Fig. 58. The numerical simulations carried out<br />
during the studies provi<strong>de</strong>d information about<br />
the non-steady state temperature conditions in<br />
the melt. It was thus possible to <strong>de</strong>monstrate that<br />
the furniture does not affect the melt temperature<br />
to any significant extent that there would be a<br />
risk of “freezing” the strands, Fig. 59.<br />
As a result of the studies it was possible to optimise<br />
the <strong>de</strong>sign and positioning of the fittings<br />
which consi<strong>de</strong>rably <strong>de</strong>layed the onset of slag<br />
carryover when used.<br />
Numerische Untersuchung zum dynamischen Verhalten<br />
von Einschlüssen in Meniskusnähe<br />
Das dynamische Verhalten von nicht-metallischen<br />
Einschlüssen in <strong>de</strong>r Kokille ist von maßgeblicher<br />
Be<strong>de</strong>utung für <strong>de</strong>n Reinheitsgrad <strong>de</strong>s Stranges und<br />
damit für die Produktqualität. Informationen in<br />
wie weit sich solche Einschlüsse, die sowohl Desoxidationsprodukte<br />
als auch eingetragenes flüssiges<br />
Gießpulver sein können, abschei<strong>de</strong>n o<strong>de</strong>r an <strong>de</strong>r<br />
erstarrten Strangschale eingefangen wer<strong>de</strong>n, sind<br />
daher von hohem Interesse.<br />
Zur Untersuchung <strong>de</strong>s Einschlussverhaltens wur<strong>de</strong><br />
ein spezielles Simulationsmo<strong>de</strong>ll eingesetzt, das eine<br />
Numerical studies on the dynamic behaviour of<br />
inclusions near to the meniscus<br />
The dynamic behaviour of non-metallic inclusions<br />
in the mould is of crucial importance for<br />
the cleanliness of the cast strand and thus for<br />
product quality. It is therefore of great interest<br />
to know how far such inclusions – which can be<br />
both <strong>de</strong>oxidation products and entrained liquid<br />
casting pow<strong>de</strong>r – segregate out or are caught in<br />
the solidifying strand shell.<br />
To investigate the behaviour of inclusions, a<br />
special simulation mo<strong>de</strong>l was used which allows<br />
Bild / Figure 58<br />
Im Mo<strong>de</strong>llversuche ermittelte Füllstän<strong>de</strong> für unterschiedliche Einbaukonfigurationen (umgerechnet auf <strong>de</strong>n Betrieb) ab <strong>de</strong>nen mit Schlackemitlaufen<br />
zu rechnen ist<br />
Filling levels for different tundish furniture configurations at which slag carryover can be expected to begin, as <strong>de</strong>termined in mo<strong>de</strong>l tests (and<br />
converted to industrial-scale figures).<br />
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Process | Continuous Casting and Forming<br />
verbesserte Abbildung dieses Verhaltens ermöglicht.<br />
Von beson<strong>de</strong>rem Interesse war das Verhalten in <strong>de</strong>r<br />
„mushy zone“, <strong>de</strong>m Übergangsbereich zwischen<br />
Schmelze und vollständig erstarrtem Strang. Hier<br />
wur<strong>de</strong> <strong>de</strong>m Simulationsmo<strong>de</strong>ll eine „Einfangwahrscheinlichkeit“<br />
auch unter Berücksichtigung <strong>de</strong>r<br />
stochastischen Natur <strong>de</strong>r Strömung zugrun<strong>de</strong> gelegt.<br />
Im Rahmen <strong>de</strong>r Untersuchung in einer Knüppel-<br />
Stranggießkokille wur<strong>de</strong>n die verschie<strong>de</strong>nen Arten<br />
von Einschlüssen durch Zugrun<strong>de</strong>legung relevanter<br />
Massendichten und Durchmesser charakterisiert.<br />
Die nachfolgend beschriebenen Ergebnisse beziehen<br />
sich auf Gießpulvereinschlüsse mit einer Dichte von<br />
2.540 kg/m 3 und einem Durchmesser von 100µm.<br />
In Bild 60 sind die numerisch ermittelten<br />
Einschlussverteilungen in verschie<strong>de</strong>nen Ansichten<br />
zu sehen. In Bild 60 a) ist <strong>de</strong>utlich zu erkennen,<br />
dass nur wenige Einschlüsse in <strong>de</strong>n Bereich <strong>de</strong>s<br />
Meniskus gelangen. Das be<strong>de</strong>utet, dass hier in <strong>de</strong>r<br />
Kokille nur wenige Einschlüsse abgeschie<strong>de</strong>n bzw.<br />
im Bereich <strong>de</strong>s Meniskus eingefangen wer<strong>de</strong>n. Der<br />
Großteil <strong>de</strong>r Einschlüsse wird dort eingefangen, wo<br />
sich bereits eine <strong>de</strong>utliche Strangschale ausgebil<strong>de</strong>t<br />
hat. Bild 60 b) zeigt die Verteilung <strong>de</strong>r Einschlüsse<br />
über <strong>de</strong>n Strangquerschnitt. Hinterlegt ist hier als<br />
Farbraster die Strangkontur am Kokillenaustritt<br />
(blau be<strong>de</strong>utet vollständig erstarrt). Auch hier ist<br />
zu erkennen, dass nur wenige Einschlüsse nahe<br />
<strong>de</strong>r Strangoberfläche zu fin<strong>de</strong>n sind.<br />
better mapping of this behaviour. One area of<br />
particular interest was the behaviour in the<br />
“mushy zone”, i.e., the transition zone between<br />
liquid melt and fully solidified strand. Here the<br />
simulation mo<strong>de</strong>l was based on a “trapping probability”<br />
while also taking the stochastic nature<br />
of the flow into account.<br />
During the studies on a billet continuous casting<br />
mould the different types of inclusions were characterised<br />
based on the relevant mass <strong>de</strong>nsities<br />
and diameters. The results <strong>de</strong>scribed below relate<br />
to casting pow<strong>de</strong>r inclusions with a <strong>de</strong>nsity of<br />
2,540 kg/m³ and a diameter of 100µm.<br />
Fig. 60 shows the numerically <strong>de</strong>termined inclusion<br />
distributions in various views. In Fig. 60 a)<br />
it can be clearly seen that only a few inclusions<br />
reach the meniscus region. This means that at this<br />
point within the mould only a few inclusions are<br />
segregated out or trapped in the meniscus region.<br />
The major part of the inclusions is entrapped at<br />
the point where a distinct strand shell has already<br />
formed. Fig. 60 b) shows the distribution of the<br />
inclusions across the strand cross-section. In this<br />
image, the strand contour at the mould exit has<br />
been plotted in colour in the background (blue<br />
means completely solidified). Here, too, it can be<br />
seen that there are only a few inclusions in the<br />
zone near the strand surface.<br />
Bild / Figure 59<br />
Berechnetes Temperaturfeld in einem Stranggießverteiler bei Einsatz von zwei Einbauteilen (halber Verteiler Längsschnitt)<br />
Computed temperature field in a continuous caster tundish when using two pieces of furniture (longitudinal section, half-tundish)<br />
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67
Prozesstechnik | Strangguss und Umformtechnik<br />
Durch <strong>de</strong>n Einsatz eines speziellen Simulationsmo<strong>de</strong>lls<br />
konnten Informationen zum Einfluss <strong>de</strong>r<br />
Gießparameter auf das dynamische Verhalten von<br />
nicht-metallischen Einschlüssen und damit auf <strong>de</strong>n<br />
Reinheitsgrad und die Produktqualität gewonnen<br />
wer<strong>de</strong>n.<br />
By using a special simulation mo<strong>de</strong>l, it was<br />
possible to obtain information on the influence<br />
of the casting parameters on the dynamic behaviour<br />
of non-metallic inclusions and thus on the<br />
cleanliness and therefore for quality of the product.<br />
Kontinuierliche Überwachung <strong>de</strong>r Kokillenwandtemperatur<br />
Die Überwachung <strong>de</strong>r Kokillenwandtemperatur<br />
kann u. a. genutzt wer<strong>de</strong>n zur Erkennung von<br />
Störungen <strong>de</strong>s Strangschalenwachstums (Kleber),<br />
zur Vermeidung von Durchbrüchen und <strong>de</strong>r Beurteilung<br />
<strong>de</strong>r Homogenität <strong>de</strong>r Wärmeabfuhr. Die<br />
vom <strong>BFI</strong> entwickelte Technik zur ortsaufgelösten<br />
Temperaturmessung bietet folgen<strong>de</strong> Vorteile:<br />
– Nur ein Anschluss pro Kokillenseite<br />
– Keine Beeinflussung durch elektromagnetische<br />
Fel<strong>de</strong>r<br />
– Freie Positionierung <strong>de</strong>r Temperaturmessstellen<br />
– Erkennung von Störungen <strong>de</strong>s Strangschalenwachstums<br />
(Kleber)<br />
– Vermeidung von Durchbrüchen<br />
– Bestimmung <strong>de</strong>r Wärmeabfuhr im Gießspiegelbereich<br />
– Beurteilung <strong>de</strong>r Homogenität <strong>de</strong>r Wärmeabfuhr<br />
Continuous monitoring of mould wall<br />
temperature<br />
Monitoring of the mould wall temperature can<br />
be used, among other things, to <strong>de</strong>tect disturbances<br />
in strand shell growth (metal sticking to<br />
the mould), to avoid pow<strong>de</strong>r entrapment, and to<br />
assess the homogeneity of heat dissipation. The<br />
technique <strong>de</strong>veloped by <strong>BFI</strong> for spatially resolved<br />
temperature measurements offers the following<br />
advantages:<br />
– Only one connection per mould si<strong>de</strong><br />
– Not affected by electromagnetic fields<br />
– Free positioning of the temperature measuring<br />
points<br />
– Detection of disturbances in strand shell<br />
growth (metal sticking to the mould)<br />
– Avoidance of pow<strong>de</strong>r entrapment<br />
– Determination of heat dissipation in the<br />
mould level zone<br />
– Assessment of the homogeneity of heat dissipation<br />
Bild / Figure 60<br />
Einschlussverteilung in <strong>de</strong>r Kokille, links: Seitenansicht, rechts: im Strangquerschnitt<br />
Distribution of inclusions in the mould, left: vertical slice, symmetry plane si<strong>de</strong> view, right: in the strand cross-section<br />
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Process | Continuous Casting and Forming<br />
In <strong>de</strong>r Bild 61 ist exemplarisch die Auswirkung<br />
verschie<strong>de</strong>ner Gießpulver auf die Wärmeübertragung<br />
in <strong>de</strong>r Kokille in Form von Temperaturverläufen<br />
an verschie<strong>de</strong>nen Positionen unterhalb <strong>de</strong>s<br />
Meniskus dargestellt. Bis 150 mm unterhalb <strong>de</strong>s<br />
Meniskus wird ein <strong>de</strong>utlicher Einfluss <strong>de</strong>s verwen<strong>de</strong>ten<br />
Gießpulvers auf die Kokillenwandtemperaturen<br />
festgestellt.<br />
Fig. 61 shows the effects of different casting<br />
pow<strong>de</strong>rs on the heat transmission within the<br />
mould in the form of temperature profiles at<br />
different positions below the meniscus. It has<br />
been observed that the casting pow<strong>de</strong>r used has<br />
a distinct effect on the mould wall temperatures<br />
down to a <strong>de</strong>pth of 150 mm below the meniscus.<br />
Flächige Messung <strong>de</strong>r Strangoberflächentemperatur<br />
in <strong>de</strong>r Sekundärkühlung<br />
Eine wesentliche Voraussetzung für eine gute<br />
Innen- und Rissqualität ist die gezielte Erstarrung<br />
<strong>de</strong>s Stranges in <strong>de</strong>r Sekundärkühlung. Wie<strong>de</strong>rerwämungsvorgänge<br />
und Schwankungen <strong>de</strong>r Erstarrungsgeschwindigkeit<br />
zwischen <strong>de</strong>n einzelnen<br />
Kühlzonen können Risse und unerwünschte Seigerungen<br />
hervorrufen.<br />
In <strong>de</strong>r Regel wird die Strangoberflächentemperatur<br />
<strong>de</strong>s erstarren<strong>de</strong>n Strangs erst nach Verlassen <strong>de</strong>r<br />
Sekundärkühlung gemessen. Um aussagekräftigere<br />
Erkenntnisse über die ortsaufgelöste Kühleffizienz<br />
<strong>de</strong>r Sekundärkühlung zu erhalten, ist eine flächenhafte<br />
Temperaturmessung bereits zwischen <strong>de</strong>n<br />
Planar measurement of the strand surface<br />
temperature in secondary cooling<br />
Controlled strand solidification during secondary<br />
cooling is a key precondition for good internal<br />
quality and low inci<strong>de</strong>nce of cracking. Reheating<br />
processes and solidification rate variations between<br />
individual cooling zones may result in cracking<br />
and un<strong>de</strong>sirable segregation phenomena.<br />
Generally, the surface temperature of the solidifying<br />
strand is only measured after the strand has left the<br />
secondary cooling zone. Planar temperature measurement<br />
performed at an early stage, i.e. between<br />
the individual cooling zones, is a major precondition<br />
for obtaining meaningful findings about the<br />
Bild / Figure 61<br />
Beobachtung <strong>de</strong>r Schmierwirkung von manuellen Gießpulverzugaben in einer Knüppelkokille<br />
Observation of the lubricant action of manually ad<strong>de</strong>d casting pow<strong>de</strong>r in a billet mould<br />
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69
Prozesstechnik | Strangguss und Umformtechnik<br />
einzelnen Kühlzonen eine wesentliche Voraussetzung.<br />
Hierzu wur<strong>de</strong> ein Temperaturscanner entwickelt,<br />
<strong>de</strong>r innerhalb <strong>de</strong>r Sekundärkühlung an verschie<strong>de</strong>nen<br />
Positionen eingesetzt wer<strong>de</strong>n kann. Die so<br />
gewonnene Oberflächentemperaturverteilung wird<br />
zur Justage <strong>de</strong>s zugrun<strong>de</strong>liegen<strong>de</strong>n Prozessmo<strong>de</strong>lls<br />
genutzt. Darüber hinaus wer<strong>de</strong>n suboptimale Anlagenzustän<strong>de</strong><br />
sofort erkannt und die Entwicklung<br />
neuer Kühlstrategien erheblich vereinfacht.<br />
In Bild 62 ist exemplarisch die Auswirkung einer<br />
Gießgeschwindigkeitsvermin<strong>de</strong>rung auf die Oberflächentemperatur<br />
in <strong>de</strong>r zweiten Sekundärkühlzone<br />
zu erkennen. Obwohl die Durchflüsse <strong>de</strong>r zweiten<br />
Kühlzone proportional zur Gießgeschwindigkeit<br />
gesteuert wer<strong>de</strong>n, treten bei dieser Versuchscharge<br />
kritische Kantentemperaturen auf, die zu Strangrissen<br />
führen können.<br />
spatially resolved cooling efficiency in secondary<br />
cooling. For this purpose a temperature scanner was<br />
<strong>de</strong>veloped which can be used at different positions<br />
during secondary cooling.The surface temperature<br />
distribution obtained in this way is used to tune the<br />
un<strong>de</strong>rlying process mo<strong>de</strong>l. Furthermore, suboptimal<br />
equipment operating performance is immediately<br />
recognised, which consi<strong>de</strong>rably simplifies the <strong>de</strong>velopment<br />
of new cooling strategies.<br />
As an example, Fig. 62 shows the effects of casting<br />
speed reduction on the surface temperature in<br />
the secondary cooling zone. Although the flow<br />
rates in the second cooling zone are controlled<br />
so as to be proportional to the casting speed, in<br />
this test batch critical edge temperatures have<br />
occurred which could lead to cracks in the strand.<br />
Bild / Figure 62<br />
Flächige Bestimmung <strong>de</strong>r Strangoberflächentemperatur innerhalb <strong>de</strong>r zweiten Sekundärkühlzone bei Gießgeschwindigkeitsvermin<strong>de</strong>rung<br />
Determination of planar strand surface temperature in the second secondary cooling zone with a reduction in casting speed<br />
70 © VDEh-Betriebsforschungsinstitut GmbH
Process | Continuous Casting and Forming<br />
Blockguss<br />
Beim steigen<strong>de</strong>n Guss wird die Kokille über ein<br />
spezielles Eingießsystem von unten mit Stahlschmelze<br />
beschickt. Eine wichtige Fragestellung ist,<br />
inwieweit die Strömungsverhältnisse Auswirkungen<br />
auf <strong>de</strong>n Reinheitsgrad <strong>de</strong>s erstarrten Endproduktes<br />
haben und wie diese gegebenenfalls hinsichtlich<br />
<strong>de</strong>s Reinheitsgra<strong>de</strong>s verbessert wer<strong>de</strong>n können. Zur<br />
grundlegen<strong>de</strong>n Untersuchungen dieser Thematik<br />
wur<strong>de</strong>n Simulationsrechnungen und Versuche an<br />
physikalischen Mo<strong>de</strong>llen durchgeführt, um mögliche<br />
konstruktive Maßnahmen hinsichtlich einer Verbesserung<br />
<strong>de</strong>s Strömungsverhaltens zu erarbeiten. Das<br />
Eingießsystem wird dabei so modifiziert, dass <strong>de</strong>r<br />
während <strong>de</strong>s Füllvorgangs eintreten<strong>de</strong> Strahl stabil<br />
im Bereich <strong>de</strong>r Kokillenachse verbleibt. Außer<strong>de</strong>m<br />
darf <strong>de</strong>r Impuls <strong>de</strong>r eintreten<strong>de</strong>n Schmelze nicht<br />
so stark sein, dass Gießpulver eingezogen wer<strong>de</strong>n<br />
kann. Einschlüsse sollen sich weitestgehend an <strong>de</strong>r<br />
Oberfläche abschei<strong>de</strong>n.<br />
Zur qualitativen Erfassung <strong>de</strong>r strömungstechnischen<br />
Vorgänge wur<strong>de</strong> als Metho<strong>de</strong> <strong>de</strong>r Strömungssichtbarmachung<br />
das Lichtschnittverfahren<br />
angewen<strong>de</strong>t. Durch geeignete Lichtquellen wird<br />
Ingot casting<br />
As the name suggests, in the bottom pouring<br />
method, the steel melt is poured into the mould<br />
from below via a special feeding system. One<br />
important question here is to what extent the flow<br />
conditions affect the cleanliness of the solidified<br />
product and how, if possible, they could be improved<br />
to achieve better cleanliness. To investigate the<br />
fundamentals of this topic, numerical simulations<br />
and tests with physical mo<strong>de</strong>ls were conducted in<br />
or<strong>de</strong>r to i<strong>de</strong>ntify any <strong>de</strong>sign measures that would<br />
help to improve the flow behaviour. The feeding<br />
system is modified such that the stream of hot<br />
melt entering during the filling process remains<br />
stable in the region of the mould axis. Besi<strong>de</strong>s this,<br />
the momentum generated by the inflowing melt<br />
must not be so strong that it will entrain casting<br />
pow<strong>de</strong>r with it. Inclusions should be separated<br />
out as far as possible at the surface.<br />
The technique chosen to record the qualitative<br />
aspects of the flow processes and make them visible<br />
was the light scattering method. Using suitable<br />
light sources, an illuminated plane is created in<br />
Bild / Figure 63<br />
Strömungsfeld in <strong>de</strong>r Symmetrieebene <strong>de</strong>r Kokille, a) sichtbargemachte Strömung im physikalischen Mo<strong>de</strong>ll, b) berechnetes Strömungsfeld für<br />
Originalkokille<br />
Flow field in the symmetry plane of the mould, a) flow visualization in the physical mo<strong>de</strong>l, b) computed flow field for the original mould.<br />
© VDEh-Betriebsforschungsinstitut GmbH<br />
71
Prozesstechnik | Strangguss und Umformtechnik<br />
im Mo<strong>de</strong>ll eine beleuchtete Ebene aufgespannt.<br />
Partikeln, die sich durch diese Lichtschnittebene<br />
bewegen, reflektieren das Licht. Fotografische<br />
Aufnahmen <strong>de</strong>r so resultieren<strong>de</strong>n Streulichtbahnen<br />
mit einer längeren Belichtungsdauer spiegeln somit<br />
in guter Näherung eine zweidimensionale Projektion<br />
<strong>de</strong>s Strömungsfel<strong>de</strong>s in dieser Lichtschnittebene<br />
wi<strong>de</strong>r. Die Aufzeichnung mittels digitaler Vi<strong>de</strong>okamera<br />
erlaubt zusätzlich eine Beurteilung <strong>de</strong>r<br />
zeitabhängigen Strömungsverhältnisse. Zusätzlich<br />
wur<strong>de</strong> das instationäre Strömungsfeld für<br />
die ausgewählte Kokille mit Hilfe numerischer<br />
Strömungssimulation berechnet.<br />
Bild 63 a) zeigt das sichtbargemachte Strömungsfeld<br />
in <strong>de</strong>r Symmetrieebene <strong>de</strong>r Kokille mit bereits optimiertem<br />
Eingießsystem beim Füllvorgang. Es stellt<br />
sich das gewünschte symmetrische Strömungsfeld<br />
ein. In Bild 63 b) ist zum Vergleich das berechnete<br />
Strömungsfeld für die gleiche Füllhöhe dargestellt.<br />
the mo<strong>de</strong>l. Particles which move through this<br />
light section plane reflect the light. Photographs<br />
of the resulting light scattering paths taken with<br />
longer exposure times then provi<strong>de</strong> a good approximation<br />
of a two-dimensional projection of the<br />
flow velocity field in this light section plane. By<br />
recording the process with a digital vi<strong>de</strong>o camera<br />
it is also possible to draw conclusions about the<br />
flow conditions over time. In addition, the transient<br />
flow field was computed for the selected<br />
mould with the help of numerical simulations.<br />
Fig. 63 a) shows the flow field that has been<br />
ma<strong>de</strong> visible in the symmetry plane of the mould<br />
during casting with the already optimised feeding<br />
system. The <strong>de</strong>sired symmetrical flow field is in<strong>de</strong>ed<br />
generated. For comparison, Fig. 63 b) shows the<br />
computed flow field for the same filling height.<br />
Intelligente selbstlernen<strong>de</strong> Regelung von Richt-<br />
Prozessen unter Verwendung von Soft-Sensoren<br />
zur Voraussage von Eigenspannungen und Planheit<br />
Ziel <strong>de</strong>s begonnenen Forschungsvorhabens ist<br />
die Entwicklung eines Prozessmo<strong>de</strong>lls für ein<br />
Vielrollen-Richtaggregat für Stahlbandmaterial.<br />
Mittels dieses Mo<strong>de</strong>lls wird sowohl ein automatisiertes,<br />
auto-adaptives Set-up System als auch<br />
ein mo<strong>de</strong>rnes Regelungssystem zur Herstellung<br />
eigenspannungsminimierten und planen Bandmaterials<br />
bei gleichzeitig minimalem erfor<strong>de</strong>rlichem<br />
Streckgrad entwickelt. Dabei kommen zu<br />
entwickeln<strong>de</strong> Soft-Sensoren zum Einsatz, die die<br />
Eigenspannungen <strong>de</strong>s Bandmaterials vorausberechnen.<br />
Die Regelung berücksichtigt weiterhin<br />
auch die Beeinflussung <strong>de</strong>s Bandzustands durch<br />
Biegevorgänge, wie sie durch Umlenkrollen o<strong>de</strong>r<br />
<strong>de</strong>n Auf- und Abhaspelvorgang vorkommen.<br />
Die Einstellungen <strong>de</strong>r Richtaggregate wer<strong>de</strong>n<br />
nach wie vor basierend auf <strong>de</strong>m Know-how <strong>de</strong>s<br />
Anlagenpersonals vorgenommen. Die subjektiven,<br />
visuellen Eindrücke und die persönlichen Erfahrungen<br />
<strong>de</strong>s Bedienpersonals bil<strong>de</strong>n die Basis für<br />
diese Entscheidungen. Der stetig steigen<strong>de</strong> Einsatz<br />
höherfester Stähle mit ihrem begrenzten Umformvermögen<br />
erfor<strong>de</strong>rt <strong>de</strong>n Einsatz von Richtstrategien<br />
zur Vermeidung <strong>de</strong>s Verlusts wichtiger Umformreserven<br />
bei gleichzeitiger Minimierung <strong>de</strong>r<br />
Eigenspannungen und Verbesserung <strong>de</strong>r Planheit.<br />
Intelligent self-learning control of levelling<br />
processes using soft sensors to predict residual<br />
stresses and flatness<br />
The aim of this recently begun research project<br />
is to <strong>de</strong>velop a process mo<strong>de</strong>l for a multi-roll levelling<br />
machine for strip steel. This mo<strong>de</strong>l itself will<br />
be used to <strong>de</strong>velop an automated auto-adaptive<br />
set-up system and a mo<strong>de</strong>rn closed-loop control<br />
system to produce flat strip material with minimised<br />
residual stresses with the minimum necessary<br />
<strong>de</strong>gree of stretching. Soft sensors, which are<br />
yet to be <strong>de</strong>veloped, will be used here to predict<br />
the residual stresses in the strip. The closed loop<br />
control will, furthermore, take account of the strip<br />
condition caused by bending around <strong>de</strong>flector<br />
rolls or during coiling and uncoiling operations.<br />
The levelling machine settings will be adjusted<br />
as before based on the know-how of the machine<br />
operators. These <strong>de</strong>cisions will rest on the subjective,<br />
visual impressions and the personal experience<br />
of the operators. The steady increase in the<br />
use of high-strength steels with their limited<br />
forming capability <strong>de</strong>mands the use of levelling<br />
strategies to avoid losing significant forming<br />
potential while at the same time minimising<br />
residual stresses and improving flatness.<br />
72 © VDEh-Betriebsforschungsinstitut GmbH
Process | Continuous Casting and Forming<br />
Entwicklung eines neuartigen Verfahrens zur Einstellung<br />
<strong>de</strong>r mechanischen und topographischen<br />
Eigenschaften von Bandmaterial innerhalb eines<br />
Prozessschrittes<br />
Ziel <strong>de</strong>s abgeschlossenen Forschungsvorhabens<br />
war die Entwicklung eines Streckbiege - Dressier –<br />
Verfahrens, das bei<strong>de</strong> Prozessstufen „Dressieren“<br />
und „Streckbiegerichten“ in einer Prozessstufe<br />
vereint. Damit könnte die eigenständige kapital- und<br />
energieintensive Prozessstufe Dressieren aus <strong>de</strong>m<br />
Gesamtprozess eliminiert und die Endbearbeitung<br />
von Metallbän<strong>de</strong>rn vereinfacht wer<strong>de</strong>n.<br />
Das Einstellen <strong>de</strong>r mechanischen Eigenschaften,<br />
wie es bisher im Dressierwalzprozess erfolgt, ist<br />
auch in einem Richtprozess, beispielsweise einem<br />
Streckbiegerichtvorgang, möglich. Zwecks Einprägung<br />
<strong>de</strong>r gewünschten Oberflächentopographie<br />
wird eine Richteinheit eingesetzt, bei <strong>de</strong>r zusätzlich<br />
zu <strong>de</strong>n herkömmlichen Richtrollen Druckwalzen<br />
eingebaut sind, die <strong>de</strong>n Richtrollen gegenüberliegend<br />
angeordnet sind und mit <strong>de</strong>r eine einseitige<br />
Druckverformung <strong>de</strong>s Metallban<strong>de</strong>s bewirkt wird.<br />
Der Spannungszustand im Metallband bei Biegung<br />
über die Richtrolle unter Zug wird zur Aufprägung<br />
einer <strong>de</strong>finierten Topographie auf das Metallband<br />
ausgenutzt. Die Biegung unter Zug erzeugt einen<br />
Längszugspannungsverlauf über <strong>de</strong>r Dicke <strong>de</strong>s<br />
Ban<strong>de</strong>s mit einem Maximum im Bereich <strong>de</strong>r <strong>de</strong>r<br />
Richtrolle gegenüberliegen<strong>de</strong>n Oberfläche <strong>de</strong>s<br />
Ban<strong>de</strong>s. Die zusätzliche Beanspruchung durch<br />
die Druckwalze in Kombination mit dieser biegeinduzierten<br />
Längsspannung unterstützt die örtliche<br />
Plastifizierung, die zur Einstellung <strong>de</strong>r gewünschten<br />
mechanischen Eigenschaften (z.B. n-Wert und Streckgrenze)<br />
sowie <strong>de</strong>r Aufprägung <strong>de</strong>r gewünschten<br />
Oberflächentopographie erfor<strong>de</strong>rlich ist.<br />
Der herkömmliche Dressierprozess stellt zur<br />
Einstellung o.g. Eigenschaften im wesentlichen<br />
nur ein Stellglied, die Walzkraft, zur Verfügung.<br />
Damit können Kompromisse verbun<strong>de</strong>n sein bei<br />
<strong>de</strong>r Beantwortung <strong>de</strong>r Frage nach Schonung <strong>de</strong>r<br />
vorhan<strong>de</strong>nen Umformreserve durch einen angepassten<br />
Dressiergrad o<strong>de</strong>r <strong>de</strong>r Einstellung <strong>de</strong>r<br />
gewünschten Rauheitsübertragung.<br />
Das neue Verfahren bietet wegen <strong>de</strong>r größeren<br />
Vielfalt vorhan<strong>de</strong>ner Stellglie<strong>de</strong>r die Möglichkeit,<br />
die Rauheitsübertragung und <strong>de</strong>n Dressiergrad<br />
unabhängig voneinan<strong>de</strong>r einzustellen. Im Rahmen<br />
<strong>de</strong>s Projektes wur<strong>de</strong>n FE-Mo<strong>de</strong>lle entwickelt, die<br />
das hybri<strong>de</strong> Verfahren wie auch <strong>de</strong>n Rauheitsübertragungsprozess<br />
simulieren. Gleichzeitig dienten<br />
© VDEh-Betriebsforschungsinstitut GmbH<br />
Development of a novel method for adjusting<br />
mechanical and topographical properties of<br />
strip material within one process step<br />
The key objective of this research project was<br />
to <strong>de</strong>velop a new method which combines the<br />
two process stages of temper rolling and tension<br />
levelling into one single step. This would make<br />
it possible to eliminate the capital- and energyintensive<br />
step of temper rolling from the overall<br />
process and simplify the finishing of strip metal<br />
materials.<br />
The adjustment of mechanical properties, as<br />
hitherto achieved by temper rolling, can also be<br />
achieved by a levelling process such as tension<br />
levelling. To impose the <strong>de</strong>sired surface topography,<br />
a leveller is used which incorporates not<br />
only the conventional leveller rolls, but has<br />
additional pressure rolls arranged opposite to<br />
the leveller rolls, thus achieving compressive<br />
<strong>de</strong>formation on one si<strong>de</strong> of the metal strip.<br />
The inner stresses prevailing in the metal strip<br />
as it is bent un<strong>de</strong>r tension by the leveller roll are<br />
exploited to impress a <strong>de</strong>fined topography on the<br />
strip material. Tension levelling generates a longitudinal<br />
tensile stress profile over the thickness of<br />
the strip, which peaks in the region of the strip<br />
surface opposite the leveller roll. The additional<br />
loading by the compression roll combines with<br />
this bending-induced longitudinal stress to assist<br />
the local plasticisation necessary to adjust the<br />
<strong>de</strong>sired mechanical properties (e.g. n-value and<br />
yield strength) and to impress the <strong>de</strong>sired surface<br />
topography on the material.<br />
The conventional temper rolling process essentially<br />
offers only one actuator – the rolling force<br />
– for adjustment of the above-mentioned properties.<br />
This can involve tra<strong>de</strong>-offs when it comes<br />
to assessing the relative merits of maintaining<br />
existing <strong>de</strong>formation reserves by adapting the<br />
temper rolling regime or achieving the <strong>de</strong>sired<br />
<strong>de</strong>gree of surface roughness.<br />
Because of the greater variety of available<br />
actuators, the new process offers possibility of<br />
adjusting the surface texture and the <strong>de</strong>gree of<br />
tempering in<strong>de</strong>pen<strong>de</strong>ntly of one another. In the<br />
course of the project, FE mo<strong>de</strong>ls were <strong>de</strong>veloped<br />
to simulate the hybrid process and the transfer<br />
of roughness. At the same time, the simulation<br />
73
Prozesstechnik | Strangguss und Umformtechnik<br />
die Simulationsergebnisse <strong>de</strong>r Unterstützung <strong>de</strong>r<br />
Entwicklungs- und Konstruktionsarbeiten. Nach<br />
erfolgreicher Implementierung <strong>de</strong>r neuentwickelten<br />
Streck-Biege-Dressiereinheit konnte im Rahmen von<br />
Versuchskampagnen die getrennte Einstellbarkeit<br />
<strong>de</strong>r mechanisch-technologischen Eigenschaften<br />
und <strong>de</strong>r Bandtopographie nachgewiesen wer<strong>de</strong>n.<br />
Gleichzeitig konnte die Walzkraft für vergleichbare<br />
Dressiergra<strong>de</strong> und Rauheitswerte im Vergleich zu<br />
<strong>de</strong>m herkömmlichen Dressierwalzprozess um ca.<br />
25% reduziert wer<strong>de</strong>n. Die grundsätzlichen technologischen<br />
Zusammenhänge wur<strong>de</strong>n herausgearbeitet<br />
und mittels Einflussfunktionen wie<strong>de</strong>rgegeben. Ein<br />
erster Entwurf eines Set-up zur Anlagenvoreinstellung<br />
sowie ein empirisches Prozessmo<strong>de</strong>l wur<strong>de</strong>n<br />
entwickelt. In anwendungstechnischen Untersuchungen<br />
konnte die grundsätzliche Vergleichbarkeit<br />
<strong>de</strong>r sich einstellen<strong>de</strong>n Ban<strong>de</strong>igenschaften bezogen<br />
auf <strong>de</strong>n herkömmlichen Fertigungsprozess aufgezeigt<br />
wer<strong>de</strong>n. Basierend auf <strong>de</strong>m i<strong>de</strong>ntifizierten Optimierungsbedarf<br />
die Biegedressieranlage betreffend<br />
wur<strong>de</strong>n Richtlinien erarbeitet zur Übertragung <strong>de</strong>r<br />
neuen Technologie auf einen industriellen Maßstab.<br />
results supported the <strong>de</strong>velopment and <strong>de</strong>sign<br />
work. After successful implementation of the<br />
newly <strong>de</strong>veloped tension levelling temper rolling<br />
unit, test campaigns <strong>de</strong>monstrated that it was<br />
possible to achieve separate adjustment of the<br />
mechanical-technological properties and the strip<br />
topography. At the same time, it was possible to<br />
reduce the rolling force by some 25% relative to<br />
the conventional temper rolling process and still<br />
achieve comparable <strong>de</strong>grees of temper rolling and<br />
roughness values. The fundamental technological<br />
interrelationships have been <strong>de</strong>rived from this<br />
and mapped out in influencing functions. An<br />
initial draft set-up for configuring the plant and<br />
an empirical process mo<strong>de</strong>l have been <strong>de</strong>veloped.<br />
In applied studies, the basic comparability of the<br />
strip properties produced by this method to those<br />
achieved by the conventional manufacturing route<br />
have been <strong>de</strong>monstrated. Based on the i<strong>de</strong>ntified<br />
optimisation points in the tension levelling temper<br />
rolling system, gui<strong>de</strong>lines have been drawn up for<br />
transferring the new technology to an industrial<br />
scale.<br />
Hybri<strong>de</strong>s Messsystem zur Online-Erfassung von<br />
Oberflächenform und Glanz gewalzter Bän<strong>de</strong>r mit<br />
beliebigem Reflektionsverhalten<br />
Ziel <strong>de</strong>s Projektes war es, die für Flachmaterial<br />
wichtigen Qualitätsmerkmale Planheit und Glanz,<br />
kombiniert für alle Reflektionsbedingungen über<br />
Hybrid measuring system for online <strong>de</strong>tection of<br />
surface shape and shine of rolled strip for any<br />
reflection behaviour<br />
The aim of this project was to achieve combined<br />
online recording of the important quality features<br />
of shape and shine over the strip length and width<br />
Bild / Figure 64<br />
Versuchsanlage zum Biegedressieren<br />
Test plant for tension levelling temper rolling<br />
74 © VDEh-Betriebsforschungsinstitut GmbH
Process | Continuous Casting and Forming<br />
Bandlänge und –breite online zu erfassen. Zur<br />
Berücksichtigung diffuser und spiegeln<strong>de</strong>r Anteile<br />
wur<strong>de</strong>n die Messprinzipien Streifenprojektion und<br />
Rasterreflektion zusammengeführt.<br />
Oberflächen von Flachprodukten weisen sowohl<br />
spiegeln<strong>de</strong> als auch diffuse Reflektionseigenschaften<br />
auf. Um die Oberflächenqualität durchgängig<br />
for all reflection conditions. To take account of<br />
diffuse and mirror-effect components, the measuring<br />
principles of fringe projection and grid<br />
reflection were merged.<br />
The surfaces of flat products have both mirrorlike<br />
and diffuse reflection characteristics. In or<strong>de</strong>r<br />
to be able to record the surface quality throughout,<br />
Bild / Figure 65<br />
Vergleich herkömmlichem mit hybri<strong>de</strong>m Verfahren hinsichtlich erfor<strong>de</strong>rlicher Walzkräfte zur Einstellung <strong>de</strong>s Dressiergra<strong>de</strong>s (Elongation)<br />
Comparison of conventional and hybrid methods regarding the required rolling forces to adjust the <strong>de</strong>gree of temper rolling (elongation)<br />
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75
Prozesstechnik | Strangguss und Umformtechnik<br />
erfassen zu können, war <strong>de</strong>shalb ein hybri<strong>de</strong>s<br />
Online-Messgerät zur Ermittlung <strong>de</strong>r Planheit<br />
und <strong>de</strong>s Glanzgra<strong>de</strong>s für ein großes Spektrum<br />
unterschiedlich reflektieren<strong>de</strong>r Oberflächen zu<br />
entwickeln.<br />
Das angewandte Messverfahren basiert auf einer<br />
Kombination <strong>de</strong>r bei<strong>de</strong>n kamerabasierten Formmessverfahren<br />
Streifenprojektion und Rasterreflektion.<br />
Ein Projektor projiziert ein Raster auf die zu<br />
vermessen<strong>de</strong> Oberfläche. Eine Kamera ist auf <strong>de</strong>n<br />
projizierten Bereich <strong>de</strong>s Messobjekts ausgerichtet<br />
und erfasst <strong>de</strong>n diffusen Anteil <strong>de</strong>s von <strong>de</strong>r Oberfläche<br />
zurückgestrahlten Anteils. Der spiegeln<strong>de</strong><br />
Anteil bil<strong>de</strong>t sich auf einer Schirmplatte ab. Die<br />
an<strong>de</strong>re Kamera ist auf <strong>de</strong>n Schirm ausgerichtet<br />
und erfasst somit <strong>de</strong>n reflektierten Anteil (Bild<br />
66 links).<br />
Die Entwicklung <strong>de</strong>s hybri<strong>de</strong>n Messsystems konnte<br />
sehr effektiv mittels Simulationsrechnungen durchgeführt<br />
wer<strong>de</strong>n. Der Prototyp <strong>de</strong>s Messsystems<br />
wur<strong>de</strong> bei ThyssenKrupp Nirosta in Krefeld an einer<br />
Blankglühlinie installiert und für einen Zeitraum<br />
von ca. 6 Wochen in Betrieb genommen (Bild 66<br />
rechts).<br />
it was therefore necessary to <strong>de</strong>velop a hybrid<br />
online measuring <strong>de</strong>vice to <strong>de</strong>tect the flatness and<br />
<strong>de</strong>gree of shine for a large spectrum of surfaces<br />
with different reflection characteristics.<br />
The applied measuring technique is based on<br />
a combination of two shape-measuring methods<br />
using cameras, namely fringe projection and<br />
grid reflection. A projector projects a grid on the<br />
surface to be scanned. One camera is focused on<br />
the projected grid on the object to be measured and<br />
records the diffuse portion of the light scattered<br />
from the surface. The mirror-like portion is thrown<br />
onto a screen. The other camera is focused on the<br />
screen and thus records the reflected component<br />
of the light (Fig. 66 left)<br />
The <strong>de</strong>velopment of the hybrid measuring<br />
system was achieved very effectively by means<br />
of numerical simulations. The prototype of the<br />
measuring system was installed at ThyssenKrupp<br />
Nirosta in Krefeld on a bright annealing line and<br />
operated over a period of approximately 6 weeks<br />
(Fig. 66 right).<br />
Neuartige Walzmetho<strong>de</strong>n für warmgewalzte<br />
AHSS Stähle<br />
Die Entwicklung höher- und höchstfester Stähle<br />
mit guter Verformbarkeit stellt verstärkt hohe<br />
Anfor<strong>de</strong>rungen an <strong>de</strong>n Walzprozess. Ziel <strong>de</strong>s<br />
Projektes war die Analyse <strong>de</strong>r Anfor<strong>de</strong>rungen an <strong>de</strong>n<br />
Warmwalzprozess, die aus <strong>de</strong>m vermehrten Einsatz<br />
Novel rolling techniques for hot rolled AHSS<br />
steels<br />
The <strong>de</strong>velopment of super high-strength steels<br />
with good formability is posing increasingly high<br />
<strong>de</strong>mands on the rolling process. The objective of<br />
this project was to analyse the <strong>de</strong>mands on the<br />
hot rolling process resulting from the increased<br />
Bild / Figure 66<br />
TopPlanHybrid: links) Verlauf eines Lichtstrahls vom Projektor über das Messobjekt zu <strong>de</strong>n Kameras, rechts) Einbau hinter eine Blankglühlinie bei<br />
TKN Krefeld<br />
TopPlanHybrid, left) Course of a ray of light from the projector via the object to be measured to the cameras, right) Installation behind a bright<br />
annealing line at TKN Krefeld<br />
76 © VDEh-Betriebsforschungsinstitut GmbH
Process | Continuous Casting and Forming<br />
dieser Stähle resultieren mit einer nachfolgen<strong>de</strong>n<br />
Erarbeitung neuer Metho<strong>de</strong>n zur Gewährleistung<br />
<strong>de</strong>r Herstellbarkeit dieser Stähle in geringen Dicken<br />
bei guter Planheit.<br />
Neben <strong>de</strong>r Entwicklung neuer 3D FEM-Metho<strong>de</strong>n,<br />
die eine bessere Beurteilung <strong>de</strong>s Einflusses von<br />
transversalen Temperaturvariationen auf die Planheit<br />
erlauben sowie das elastische Verhalten <strong>de</strong>r<br />
Walzgerüste beschreiben, wur<strong>de</strong>n ebenfalls Effekte<br />
aus thermischen wie auch mikrostrukturellen<br />
Inhomogenitäten auf <strong>de</strong>n sich einstellen<strong>de</strong>n Eigenspannungszustand<br />
und die Neigung zur Ausbildung<br />
von Unplanheiten untersucht.<br />
Basierend auf <strong>de</strong>r Dissertation von B. Berger<br />
aus <strong>de</strong>m Jahre 1975 (Die elastische Verformung<br />
<strong>de</strong>r Walzen von Quarto-Walzgerüsten und die<br />
Beeinflussung <strong>de</strong>r Walzspaltform durch Walzenbiegevorrichtungen)<br />
wur<strong>de</strong> ein Mo<strong>de</strong>ll entwickelt,<br />
das <strong>de</strong>n Walzspalt unter Berücksichtigung <strong>de</strong>r<br />
vorherrschen<strong>de</strong>n Walzkraft und <strong>de</strong>r Interaktion<br />
zwischen Arbeits- und Stützwalze darstellt. Der<br />
Vergleich mit Industriedaten zeigte eine gute<br />
Übereinstimmung.<br />
Die Berücksichtigung aus FEM Berechnungen<br />
abgeleiteten Breitungsbeträgen zeigte keine signifikanten<br />
Auswirkungen auf das resultieren<strong>de</strong> Planheitsergebnis.<br />
Anhand einer Sensitivitätsstudie<br />
konnten die Parameter „Walzkraft“, „Arbeitswalzenbombierung“<br />
und „Arbeitswalzenbiegung“ als<br />
signifikanteste Parameter mit Wirkung auf das sich<br />
einstellen<strong>de</strong> Bandquerprofil und die Bandplanheit<br />
i<strong>de</strong>ntifiziert wer<strong>de</strong>n.<br />
Anhand eines entwickelten Mo<strong>de</strong>lls konnten<br />
unterschiedliche mikrostrukturelle Ausprägungen<br />
an <strong>de</strong>r Bandunter- bzw. Bandoberseite<br />
als Ursache für Planheitsprobleme i<strong>de</strong>ntifiziert<br />
wer<strong>de</strong>n. Zusätzlich wur<strong>de</strong>n im letzten Teil <strong>de</strong>s<br />
Kühkstrecke Planheitsprobleme generiert. Bei<strong>de</strong><br />
Effekte wer<strong>de</strong>n durch das auf <strong>de</strong>n Walzvorgang<br />
gerichtete Planheitsmo<strong>de</strong>l nicht angebil<strong>de</strong>t.<br />
use of these steels, followed by the <strong>de</strong>velopment<br />
of new techniques to assure the producibility of<br />
these steel gra<strong>de</strong>s in thin-gauge qualities with a<br />
good flatness profile.<br />
In addition to <strong>de</strong>veloping new 3D FEM methods<br />
allowing better assessment of the effects of transversal<br />
temperature variations on flatness as well<br />
as <strong>de</strong>scribing the elastic behaviour of rolling<br />
stands, studies were also un<strong>de</strong>rtaken to investigate<br />
the effects of thermal and microstructural<br />
inhomogeneities on the ensuing residual stresses<br />
and the ten<strong>de</strong>ncy of the material to <strong>de</strong>viate from<br />
the target flatness specifications.<br />
Based on a dissertation by B. Berger from 1975<br />
(The elastic <strong>de</strong>formation of rolls in four-high<br />
rolling stands and the effects on the roll gap<br />
shape due to roll bending equipment), a mo<strong>de</strong>l<br />
was <strong>de</strong>veloped to represent the roll gap while<br />
taking account of the prevailing rolling force<br />
and the interaction between the work roll and<br />
the backup roll. A comparison with industrial<br />
data showed a good <strong>de</strong>gree of correlation.<br />
The inclusion of spreading values <strong>de</strong>rived from<br />
FEM computations showed no significant effects<br />
on the resulting flatness. In a sensitivity study,<br />
the roll force, work roll crowning and work roll<br />
bending were i<strong>de</strong>ntified as the most significant<br />
parameters affecting the resulting cross-sectional<br />
strip profile and strip flatness.<br />
With the help of a <strong>de</strong>veloped mo<strong>de</strong>l, various<br />
microstructural patterns on the strip upper and<br />
lower si<strong>de</strong> were i<strong>de</strong>ntified as causing flatness<br />
problems. In addition, flatness problems were<br />
generated in the last section of the cooling line<br />
Neither of these effects are reflected in the flatness<br />
mo<strong>de</strong>l which focuses on the rolling process.<br />
Minimierung <strong>de</strong>r Ertragsverluste durch Kantenabfall,<br />
Breitung und Formfehlern durch integrierte<br />
Regelung auf Basis von Software Sensoren und<br />
innovativer Aktuatorik in Kaltwalzwerken.<br />
Ziel <strong>de</strong>s Projektes ist es, <strong>de</strong>n Kantenabfall und die<br />
Breitung beim Herstellungsprozess von Flachprodukten<br />
zu optimieren. Betrachtet wer<strong>de</strong>n <strong>de</strong>r Entstehungsort<br />
und die Entstehungsmechanismen. Dies<br />
© VDEh-Betriebsforschungsinstitut GmbH<br />
Minimisation of yield losses due to edge drop,<br />
spreading and shape <strong>de</strong>fects through integrated<br />
closed-loop control based on soft sensors and<br />
innovative actuators in cold rolling mills<br />
The objective of the project is to improve edge<br />
drop and spreading in flat product production<br />
processes. The studies use measurements and<br />
mo<strong>de</strong>ls to consi<strong>de</strong>r both the point of origin of<br />
77
Prozesstechnik | Strangguss und Umformtechnik<br />
geschieht auf Basis von Messungen und Mo<strong>de</strong>llen. In<br />
<strong>de</strong>r Industrie wer<strong>de</strong>n die gewonnenen Erkenntnisse<br />
in Form eines Software Sensors implementiert, <strong>de</strong>r<br />
<strong>de</strong>n Herstellungsprozess hinsichtlich Kantenabfall<br />
und Breitung begleitet. Das <strong>BFI</strong> hat in diesem Zusammenhang<br />
ein optisches Messverfahren entwickelt,<br />
welches das Bandkantenprofil über die Bandlänge<br />
traversierend erfasst und an unterschiedlichen<br />
Orten im Walzwerk temporär installiert wird. Diese<br />
Messungen bil<strong>de</strong>n die Grundlage für das Verständnis<br />
<strong>de</strong>r Vorgänge im Bandkantenbereich von Bän<strong>de</strong>rn<br />
während <strong>de</strong>s Walzprozesses. Die Kombination von<br />
dreidimensionalen Mo<strong>de</strong>llen und numerischen<br />
Simulationen dienen dazu, die Breitung und das<br />
Profil <strong>de</strong>r Bän<strong>de</strong>r zu analysieren. Die Messungen<br />
helfen die Mo<strong>de</strong>lle zu validieren. Verschie<strong>de</strong>ne Aktuatoren<br />
zur Beeinflussung <strong>de</strong>s Kantenabfalls wer<strong>de</strong>n<br />
im Rahmen dieses Projektes untersucht und nach<br />
<strong>de</strong>r Reihenfolge ihrer Be<strong>de</strong>utung klassifiziert. Die<br />
Entwicklung von intelligenten Soft-Sensoren für<br />
die Vorhersage und Abschätzung <strong>de</strong>s Kantenabfalls<br />
ist dabei ein zentrales Instrument, um Bandkantenprofile<br />
zu verbessern.<br />
Gegenwärtig unterstützt das Messsystem erfolgreich<br />
die Erfassung qualitätsrelevanter Banddaten<br />
in Kaltwalzwerken in Deutschland und Frankreich.<br />
Die Installation <strong>de</strong>s entwickelten Soft-Sensors in<br />
these phenomena and the mechanisms involved.<br />
Industry is implementing the knowledge gained<br />
in the form of a software sensor which is used<br />
to control the production process in terms of<br />
edge drop and spreading. For this purpose, <strong>BFI</strong><br />
has <strong>de</strong>veloped an optical traversing measuring<br />
technique that registers the strip edge profile<br />
over the strip length and is installed temporarily<br />
at different locations in the rolling mill. These<br />
measurements help to <strong>de</strong>velop an un<strong>de</strong>rstanding<br />
of the processes taking place in the strip edge<br />
zone during rolling. A combination of threedimensional<br />
mo<strong>de</strong>ls and numerical simulations<br />
is used to analyse the spreading and the profile<br />
of the strip materials. The measurements help to<br />
validate the mo<strong>de</strong>ls. Various actuators for influencing<br />
the edge drop are being investigated in the<br />
course of this project and classified according to<br />
their importance. The <strong>de</strong>velopment of smart soft<br />
sensors to predict and estimate edge drop is a key<br />
instrument in improving the strip edge profile.<br />
The measuring system is currently supporting<br />
the successful acquisition of quality-relevant strip<br />
data in cold rolling mills in Germany and France.<br />
Installation of the <strong>de</strong>veloped soft sensor in rolling<br />
Bild / Figure 67<br />
oben: Messbügel zur Messung <strong>de</strong>s Bandkantenprofils, unten: Messwertverlauf <strong>de</strong>r Bandkantenprofils<br />
above: Measuring <strong>de</strong>vice for measuring strip edge profile, below: Meassurement of the strip edge profile<br />
78 © VDEh-Betriebsforschungsinstitut GmbH
Process | Continuous Casting and Forming<br />
Walzwerken in Deutschland, Spanien und Schwe<strong>de</strong>n<br />
zeigen, dass solche Systeme helfen das Bandprofil zu<br />
optimieren und die Bandbesäumung zu minimieren.<br />
mills in Germany, Spain and Swe<strong>de</strong>n shows that<br />
such systems do help to optimise the strip profile<br />
and minimise the extent of strip edge trimming.<br />
Verbesserung <strong>de</strong>r Innenoberfläche nahtloser<br />
Rohre durch optimierte, vorausschauen<strong>de</strong><br />
Dornstangenhandhabung und durch Überwachung<br />
<strong>de</strong>s Stoßbankprozesses.<br />
Ziel <strong>de</strong>s Projektes ist die Entwicklung eines<br />
Systems zur Prognose <strong>de</strong>s geeigneten Zeitpunktes<br />
zum Auswechseln <strong>de</strong>r Dornstange. Dieses System<br />
basiert auf <strong>de</strong>m zu erforschen<strong>de</strong>n Zusammenhang<br />
zwischen aktuellen Dornstangeneigenschaften und<br />
resultieren<strong>de</strong>n Oberflächen<strong>de</strong>fekten auf <strong>de</strong>r Innenoberfläche<br />
nahtloser Rohre. Darüber hinaus soll die<br />
Leistungsfähigkeit (Lebensdauer, Ausbringung) von<br />
Dornstangen durch eine Verbesserung von Dornstangenwerkstoff<br />
und Schmierung gesteigert wer<strong>de</strong>n.<br />
Hierzu wer<strong>de</strong>n sowohl Messsysteme zur Erfassung <strong>de</strong>r<br />
Dornstangenkraft als auch <strong>de</strong>r Dornstangenoberfläche<br />
am <strong>BFI</strong> entwickelt und in Betrieb genommen. Des<br />
Weiteren wird das Ultraschall-Messsystem, genutzt zur<br />
Erfassung von Oberflächen<strong>de</strong>fekten auf <strong>de</strong>r Inneno-<br />
Improvement of the inner surfaces of<br />
seamless tubes through optimised, proactive<br />
mandrel handling and monitoring of the<br />
push-bench process<br />
The aim of the project is the <strong>de</strong>velopment of a<br />
system for predicting a suitable time-point for<br />
changing the mandrel. This system will be based<br />
on the results of an investigation into the relationship<br />
between the mandrel characteristics<br />
at any one time and resulting surface <strong>de</strong>fects<br />
on the insi<strong>de</strong> surfaces of seamless steel tubes.<br />
Furthermore, the performance capability (life,<br />
yield) of mandrels is to be enhanced by improving<br />
the mandrel material and the lubrication.<br />
To do this, measuring systems are being <strong>de</strong>veloped<br />
and put into operation at <strong>BFI</strong> to register the<br />
mandrel force and record its surface condition.<br />
Furthermore, the ultrasonic measuring system<br />
used to <strong>de</strong>tect surface <strong>de</strong>fects on the insi<strong>de</strong> of<br />
Bild / Figure 68<br />
Herstellungsprozess nahtloser Rohre (schematisch)<br />
Manufacturing process for seamless tubes (schematic representation)<br />
© VDEh-Betriebsforschungsinstitut GmbH<br />
79
Prozesstechnik | Oberflächentechnik und Stahlvere<strong>de</strong>lung<br />
berfläche nahtloser Rohre, optimiert. Messtechnische<br />
Kampagnen liefern die Daten für die Charakterisierung<br />
<strong>de</strong>r Oberflächeneigenschaften <strong>de</strong>r Dornstange, <strong>de</strong>r<br />
Innenoberfläche <strong>de</strong>r Rohre und relevante Prozessparameter.<br />
Aus <strong>de</strong>n gewonnenen Daten wer<strong>de</strong>n mit Hilfe<br />
von Korrelationsanalysen Zusammenhänge abgeleitet.<br />
Die Ergebnisse fließen in die Entwicklung und Validierung<br />
eines hybri<strong>de</strong>n Mo<strong>de</strong>lls, bestehend aus einem<br />
vereinfachten FEM-Mo<strong>de</strong>ll und <strong>de</strong>m Korrelationsmo<strong>de</strong>ll<br />
zur Prognose von Rohr<strong>de</strong>fekten.<br />
Am En<strong>de</strong> <strong>de</strong>s Projektes stehen die Entwicklung,<br />
Implementierung und <strong>de</strong>r Test eines Systems zur<br />
Überwachung <strong>de</strong>s Stoßbankprozesses und <strong>de</strong>r<br />
Rohreigenschaften, sowie eine mo<strong>de</strong>llbasierte<br />
Prognose über <strong>de</strong>n geeigneten Zeitpunkt zum<br />
Auswechseln <strong>de</strong>r Dornstange.<br />
seamless tubes is being optimised. Measurement<br />
campaigns are being conducted to supply the<br />
data for characterising the surface properties<br />
of the mandrel, the inner surfaces of the tubes,<br />
and the relevant process parameters. Relationships<br />
will be <strong>de</strong>rived from this data by means of<br />
correlation analyses. The results will be used to<br />
<strong>de</strong>velop and validate a hybrid mo<strong>de</strong>l consisting of<br />
a simplified FEM mo<strong>de</strong>l and a correlation mo<strong>de</strong>l<br />
to predict tube <strong>de</strong>fects.<br />
The project will be completed by <strong>de</strong>veloping,<br />
implementing and testing a system for monitoring<br />
the push-bench process and the tube properties<br />
as well as producing a mo<strong>de</strong>l for predicting a<br />
suitable time-point for changing the mandrel.<br />
Korrosionsmanagement im Warmwalzwerk<br />
Stahlknüppel und Brammen sind bei <strong>de</strong>r (Wie<strong>de</strong>r-)<br />
Erwärmung im Walzwerkofen <strong>de</strong>r Hochtemperaturkorrosion<br />
ausgesetzt. Diese äußert sich unter<br />
üblichen Erwärmungsbedingungen nach Erdgasverbrennung<br />
in erster Linie durch Bildung einer<br />
äußeren Zun<strong>de</strong>rschicht auf <strong>de</strong>r Oberfläche, die<br />
vor <strong>de</strong>r Walzung beseitigt wer<strong>de</strong>n muss. Wird<br />
dieser Zun<strong>de</strong>r vor <strong>de</strong>r Warmumformung nicht<br />
vollständig entfernt, entstehen Oberflächen<strong>de</strong>fekte<br />
durch Einpressen. Bei Anhaftungen von Zun<strong>de</strong>rstücken<br />
an <strong>de</strong>n Umformwerkzeugen können neben<br />
verschleißbedingten Schä<strong>de</strong>n am Umformwerkzeug<br />
weitere Oberflächen<strong>de</strong>fekte am Werkstück durch<br />
Einprägen <strong>de</strong>s Zun<strong>de</strong>rs entstehen.<br />
Die Ursachen und Mechanismen <strong>de</strong>r Zun<strong>de</strong>rentstehung<br />
und <strong>de</strong>r Möglichkeit <strong>de</strong>r Zun<strong>de</strong>rbeseitigung<br />
durch Entzun<strong>de</strong>rer sind weitestgehend bekannt<br />
o<strong>de</strong>r zumin<strong>de</strong>st erprobt und betrieblich eingesetzt.<br />
Eine geordnete und strukturierte Qualitätsregelung<br />
im Hinblick auf die Restzun<strong>de</strong>rproblematik unter<br />
Einbeziehung <strong>de</strong>r Erwärmungsverläufe, <strong>de</strong>r eingesetzten<br />
Werkstoffe, <strong>de</strong>r Entzun<strong>de</strong>rungsverfahren<br />
bzw. brammenlogistische Strategien fehlen bislang<br />
im betrieblichen Einsatz.<br />
Im Rahmen eines Forschungsvorhaben wur<strong>de</strong><br />
<strong>de</strong>shalb u.a. eine strukturierte Vorgehensweise<br />
zur Beherrschung <strong>de</strong>r unerwünschten Zun<strong>de</strong>reinflüsse<br />
beschritten. Dabei wur<strong>de</strong> die Anwendungstauglichkeit<br />
<strong>de</strong>s Korrosionsmanagements getestet<br />
und die Einsatzmöglichkeiten <strong>de</strong>r Bildanalyse im<br />
Zusammenspiel mit <strong>de</strong>r optischen und Infrarot-<br />
Restzun<strong>de</strong>r-Aufzeichnung und Restzun<strong>de</strong>ranalyse<br />
<strong>de</strong>monstriert.<br />
Corrosion management in the hot rolling mill<br />
Steel billets and slabs are exposed to high-temperature<br />
corrosion when being heated or reheated in<br />
mill furnaces. Un<strong>de</strong>r the usual heating conditions<br />
after combustion of natural gas, this primarily<br />
results in the formation of a layer of scale on the<br />
surface of the stock that must be removed before<br />
rolling. If the scale is not removed completely<br />
before hot forming, residues will be pressed into<br />
the base material and cause surface <strong>de</strong>fects. When<br />
fragments of scale adhere to forming tools, this<br />
will not only cause wear-related damage to the<br />
tools but also lead to further surface <strong>de</strong>fects<br />
on the rolling mill stock as the scale becomes<br />
impressed there.<br />
The causes and mechanisms of scale formation<br />
have been extensively explored and the possibility<br />
of removing the scale by means of <strong>de</strong>scalers has<br />
been at least tested and used in practice. Up till<br />
now, however, there has been no systematic and<br />
structured quality approach to the residual scale<br />
problem spanning the heating procedures, the<br />
materials used, the <strong>de</strong>scaling techniques, and<br />
the strategies for slab logistics.<br />
In the course of a research project, a structured<br />
approach to controlling the un<strong>de</strong>sired effects<br />
of scale was therefore envisaged. This involved<br />
testing the applicability of corrosion management<br />
and the possibilities of using image analysis in<br />
combination with optical and infrared residual<br />
scale <strong>de</strong>tection and analysis.<br />
80 © VDEh-Betriebsforschungsinstitut GmbH
Process | Surface Technology and Finishing<br />
Herzstück <strong>de</strong>s Korrosionsmanagements ist eine<br />
Analyseprozedur bestehend aus Zun<strong>de</strong>r<strong>de</strong>tektion<br />
und einer Programmanwendung zur Restzun<strong>de</strong>ranalyse.<br />
Damit wird eine werkstoff- und<br />
verfahrensspezifische quantitative Auswertung<br />
<strong>de</strong>r Restzun<strong>de</strong>rausprägung zur Qualitätssicherung<br />
von Warmband ermöglicht.<br />
The core of the corrosion management strategy<br />
is an analytical procedure consisting of scale <strong>de</strong>tection<br />
and a software application for analysing the<br />
residual scale. This enables quantitative evaluation<br />
of the residual scale characteristics in relation<br />
to the specific material and processes involved,<br />
contributing to the quality assurance of hot strip.<br />
Senkung ungewollter Ran<strong>de</strong>ntkohlung bei <strong>de</strong>r<br />
Erwärmung und Wärmebehandlung von Metall-<br />
Nutzgütern<br />
Ständig steigen<strong>de</strong> Anfor<strong>de</strong>rungen an Produktqualität<br />
und Wirtschaftlichkeit erfor<strong>de</strong>rn bei <strong>de</strong>r<br />
Reducing unwanted surface <strong>de</strong>carburisation<br />
in metal products during reheating and heat<br />
treatment<br />
With steadily rising <strong>de</strong>mands being ma<strong>de</strong> on<br />
product quality and cost-efficiency, the produc-<br />
Bild / Figure 69<br />
Prototyp einer Rotorentzun<strong>de</strong>rungsanlage zur Prüfung und Validierung von Entzun<strong>de</strong>rungsprozessen zur Beseitigung von Restzun<strong>de</strong>r unmittelbar<br />
nach <strong>de</strong>r Primärentzun<strong>de</strong>rung als Bestandteil <strong>de</strong>s Korrosionsmanagements<br />
Prototype of a rotor <strong>de</strong>scaling machine for testing and validation of <strong>de</strong>scaling processes for removing residual scale immediately after primary<br />
<strong>de</strong>scaling as an integral part of corrosion management<br />
Bild / Figure 70<br />
Qualitative Bewertungen nach Zun<strong>de</strong>rtyp und quantitative Auswertungen zu Restzun<strong>de</strong>rerscheinungen auf <strong>de</strong>m Walzgut mittels CCD-Aufzeichnungen<br />
und Restzun<strong>de</strong>ranalysen mit MATLAB-basiertem Analyseprogramm<br />
Qualitative assessments according to scale type and quantitative evaluations of residual scale on the rolling stock with the aid of CCD recordings<br />
and residual scale analyses using a MATLAB-based analytical program<br />
© VDEh-Betriebsforschungsinstitut GmbH<br />
81
Prozesstechnik | Oberflächentechnik und Stahlvere<strong>de</strong>lung<br />
Herstellung hochwertiger Metallerzeugnisse<br />
eine immer genauere und ressourceneffizientere<br />
Wärmebehandlung zur Einstellung <strong>de</strong>r gefor<strong>de</strong>rten<br />
qualitätsrelevanten Materialeigenschaften. Die<br />
unerwünschte Ran<strong>de</strong>ntkohlung, aber auch die<br />
Oxid<strong>de</strong>ckschichtbildung <strong>de</strong>r Nutzgüter ist dabei<br />
eine negative Begleiterscheinung <strong>de</strong>r Wie<strong>de</strong>r- und<br />
Nacherwärmung im Rahmen <strong>de</strong>r Wärmebehandlung,<br />
die zu einer Verschlechterung bzw. Schädigung<br />
<strong>de</strong>r Oberflächenqualität führt.<br />
Ziel laufen<strong>de</strong>r Arbeiten ist die Entwicklung eines<br />
neuartigen Entkohlungsmo<strong>de</strong>lls als Herzstück eines<br />
neuen Simulationswerkzeuges, das die Entkohlungstiefenverläufe<br />
<strong>de</strong>r Nutzgüter direkt von <strong>de</strong>n tatsächlich<br />
herrschen<strong>de</strong>n Wärmebehandlungsbedingungen,<br />
d. h. aus Partialdruck- und Temperaturmessungen<br />
im Wärm- bzw. Wärmebehandlungsofen, je<strong>de</strong>rzeit<br />
berechnet. Korrosionsuntersuchungen im Betrieb<br />
und im Labor sowie metallografische Analysen<br />
schaffen hierfür die notwendige Datenbasis für<br />
die Simulation <strong>de</strong>r Korrosionskinetik. Durch die<br />
Kenntnis <strong>de</strong>r Entkohlungstiefenverläufe für alle<br />
Nutzgüter können die Produktionsabläufe, die<br />
Materialeinsatzplanung und die Prozessführungsstrategien<br />
bei <strong>de</strong>r Wärmebehandlung optimiert<br />
wer<strong>de</strong>n. Die einzelnen Nutzgüter wer<strong>de</strong>n somit<br />
genauer bedarfsgerecht wärmebehan<strong>de</strong>lt.<br />
Es wird damit ein praxistaugliches und in Wärmebehandlungsbetrieben<br />
universell einsetzbares Instrument<br />
geschaffen. Damit sind sowohl eine wesentlich<br />
exaktere Planung <strong>de</strong>r Bearbeitungszuschläge für die<br />
Wärmebehandlung als auch eine nutzgutspezifische<br />
Wärmebehandlung möglich. Es wird eine höhere<br />
Produktqualität bei vermin<strong>de</strong>rtem Ressourceneinsatz<br />
und geringerem Risiko von Qualitätsschwankungen<br />
erreicht. Das neue Simulationswerkzeug ist<br />
universell für eine Vielzahl von unterschiedlichen<br />
Wärm- bzw. Wärmebehandlungsöfen und für eine<br />
breite Auswahl von Stahlqualitäten, wie Wälzlager-,<br />
Vergütungs-, Schmie<strong>de</strong>stahl und Fe<strong>de</strong>rstahllegierungen,<br />
einsetzbar.<br />
tion of high-quality metal products calls for ever<br />
more precise and resource-efficient heat treatment<br />
to adjust the required quality-relevant material<br />
properties. Decarburization and oxidation at the<br />
surface of the products are two un<strong>de</strong>sired si<strong>de</strong>effects<br />
of reheating and post heating during heat<br />
treatment which cause the surface quality to<br />
<strong>de</strong>teriorate.<br />
The aim of ongoing work is to <strong>de</strong>velop a novel<br />
kind of <strong>de</strong>carburisation mo<strong>de</strong>l as the core of a<br />
new simulation tool which will make it possible<br />
to compute <strong>de</strong>carburisation <strong>de</strong>pth profiles for the<br />
products directly from the heat treatment conditions<br />
prevailing at any time, i.e. partial pressure<br />
and temperature measurements in reheating and<br />
heat treatment furnaces. Corrosion studies un<strong>de</strong>r<br />
mill operating conditions and in the laboratory, as<br />
well as metallographic analyses will establish the<br />
necessary data basis for simulating the corrosion<br />
kinetics. Gaining knowledge of the <strong>de</strong>carburisation<br />
<strong>de</strong>pth profiles of all the charged materials will<br />
help to optimise production sequences, product<br />
logistics and process management strategies during<br />
heat treatment. As a result, the stock will be heat<br />
treated more precisely according to the specific<br />
needs.<br />
This will create a tool that is fit for industrial<br />
use and can be used in any heat treatment facility.<br />
It will permit much more precise planning of<br />
surcharges for heat treatment as well as tailoring<br />
of heat treatment specifically for the stock being<br />
treated. This will improve product quality while<br />
using less resources as well as reducing the risk<br />
of variations in quality. The new simulation<br />
tool can be used for a large variety of different<br />
reheating and heat treatment furnaces and for a<br />
broad range of steel gra<strong>de</strong>s, such as ball bearing<br />
steel, quenched and tempered steel, forging steel<br />
and spring steel alloys.<br />
Entwicklung und Einsatz von<br />
Zun<strong>de</strong>rschutzschichten zur Verringerung<br />
von Hochtemperaturkorrosion<br />
Durch Hochtemperaturkorrosion bei <strong>de</strong>r Wie<strong>de</strong>rerwärmung<br />
von Stahl vor Warmumformprozessen<br />
entsteht an <strong>de</strong>r Oberfläche <strong>de</strong>r Rohteile Zun<strong>de</strong>r. Der<br />
Materialverlust durch die Zun<strong>de</strong>rbildung verursacht<br />
<strong>de</strong>utliche wirtschaftliche Verluste. Wird <strong>de</strong>r<br />
Zun<strong>de</strong>r außer<strong>de</strong>m vor <strong>de</strong>r Warmumformung nicht<br />
Development and use of anti-scale coatings to<br />
reduce high-temperature corrosion<br />
High-temperature corrosion during the reheating<br />
of steel before hot forming processes causes scale<br />
to form on the surface of the raw parts. The loss of<br />
material due to scale formation results in consi<strong>de</strong>rable<br />
economic losses. Moreover, if the scale is not<br />
removed completely before hot forming, surface<br />
82 © VDEh-Betriebsforschungsinstitut GmbH
Process | Surface Technology and Finishing<br />
vollständig entfernt, entstehen Oberflächen<strong>de</strong>fekte<br />
durch Einpressen nicht entfernter Zun<strong>de</strong>rstücke.<br />
Bei Anhaftungen von Zun<strong>de</strong>rstücken an <strong>de</strong>n<br />
Umformwerkzeugen können neben verschleißbedingten<br />
Schä<strong>de</strong>n am Umformwerkzeug weitere<br />
Oberflächen<strong>de</strong>fekte am Werkstück durch Einprägen<strong>de</strong>s<br />
Zun<strong>de</strong>rs entstehen.<br />
<strong>de</strong>fects will arise due to residual scale being pressed<br />
into the base material. When fragments of scale<br />
adhere to forming tools, this will not only cause<br />
wear-related damage to the tools but also lead to<br />
further surface <strong>de</strong>fects on the forming stock as<br />
the scale becomes impressed there.<br />
Bild / Figure 71<br />
Rundblöcke bei <strong>de</strong>r Wie<strong>de</strong>rerwärmung in einem Chargenofen<br />
Round ingots during reheating in a batch furnace<br />
Bild / Figure 72<br />
Anwen<strong>de</strong>roberfläche <strong>de</strong>s Korrosionsprogramms zur simultanen Berechnung <strong>de</strong>r Korrosionsvorgänge aus Deckschichtverzun<strong>de</strong>rung und Ran<strong>de</strong>ntkohlung<br />
User interface of the corrosion program for simultaneous computation of corrosion processes due to scale formation and surface <strong>de</strong>carburisation<br />
© VDEh-Betriebsforschungsinstitut GmbH<br />
83
Prozesstechnik | Oberflächentechnik und Stahlvere<strong>de</strong>lung<br />
In einigen Anwendungen wer<strong>de</strong>n für die kurzzeitige<br />
Erwärmung von Stahlrohteilen (z.B. bei <strong>de</strong>r<br />
Induktiverwärmung) diffusionsdichte Beschichtungen<br />
eingesetzt, die bis 950 °C eine zun<strong>de</strong>rmin<strong>de</strong>rn<strong>de</strong><br />
Wirkung aufweisen. Es gibt jedoch<br />
<strong>de</strong>rzeit keine verfügbare Beschichtung, die <strong>de</strong>n<br />
Bedingungen von Wärmofen in Walzwerken o<strong>de</strong>r<br />
Freiformschmie<strong>de</strong>n mit Temperaturen von über<br />
1200 °C und Liegezeiten von mehreren Stun<strong>de</strong>n<br />
standhält.<br />
Im Rahmen verschie<strong>de</strong>ner Forschungsvorhaben<br />
wer<strong>de</strong>n die Anwendungstauglichkeit verschie<strong>de</strong>ner<br />
diffusionsdichter Beschichtungen für die Vermin<strong>de</strong>rung<br />
<strong>de</strong>r Hochtemperaturkorrosion untersucht.<br />
Außer<strong>de</strong>m erfolgt eine Weiterentwicklung dieser<br />
Beschichtungen auf Basis <strong>de</strong>r Untersuchungsergebnisse.<br />
Für die Entwicklung zun<strong>de</strong>rmin<strong>de</strong>rn<strong>de</strong>r<br />
Beschichtungen wer<strong>de</strong>n Ansätze auf Basis von<br />
anorganisch-/ mineralischen Beschichtungen<br />
und (mikro- bzw. nano-) partikeladditivierten<br />
Beschichtungen verfolgt.<br />
Weiterhin sollen die genannten Beschichtungen<br />
nicht nur die Verzun<strong>de</strong>rung <strong>de</strong>r Stahlrohteile<br />
verringern son<strong>de</strong>rn auch die Adhäsionseigenschaften<br />
<strong>de</strong>s Zun<strong>de</strong>rs beeinflussen (Beschichtungen<br />
zur Konditionierung von Zun<strong>de</strong>r).<br />
Bild 73 zeigt die Ergebnisse verschie<strong>de</strong>ner Untersuchungen<br />
an Kohlenstoffstählen und höherlegierten<br />
Stählen. Es wur<strong>de</strong>n unterschiedliche Beschichtungen<br />
auf Basis von anorganisch-mineralischen<br />
In some applications where raw steel parts are<br />
preheated briefly (e.g. by induction heating),<br />
diffusion-tight coatings are used which have<br />
a scale-reducing effect up to a temperature of<br />
950 °C. However, up to now there has been no<br />
coating capable of withstanding the conditions<br />
in reheating furnaces in steel mills or open-die<br />
forging facilities with temperatures of over<br />
1200 °C and holding times of several hours.<br />
The suitability of various diffusion-tight coatings<br />
for reducing high-temperature corrosion is being<br />
investigated in a number of different research<br />
projects. These coatings are also being further<br />
<strong>de</strong>veloped on the basis of the research findings. For<br />
the <strong>de</strong>velopment of these scale-reducing coatings,<br />
the approaches being pursued inclu<strong>de</strong> inorganic/<br />
mineral coatings and (micro- or nano-) particle<br />
additive coatings.<br />
Furthermore, with these coatings the intention<br />
is not only to reduce scale formation on the raw<br />
steel parts but also to influence the adhesion<br />
properties of the scale itself (scale conditioning<br />
coatings).<br />
Fig. 73 shows the results of different studies on<br />
carbon steels and higher-alloyed steels. Different<br />
coatings based on inorganic mineral substances<br />
and coatings with (micro- or nano-) particle addi-<br />
Bild / Figure 73<br />
Ergebnisse <strong>de</strong>r Laboruntersuchungen für verschie<strong>de</strong>ne Kohlenstoffstähle (links) und höherlegierte Stähle (rechts) bei Einsatz verschie<strong>de</strong>ner<br />
Beschichtungen und unterschiedlichen Glüh- und Wärmtemperaturen<br />
Results of laboratory experiments with various carbon steels (left) and higher-alloy steels (right) for different coatings and different annealing<br />
and reheating temperatures<br />
84 © VDEh-Betriebsforschungsinstitut GmbH
Process | Surface Technology and Finishing<br />
und (mikro- bzw. nano-) partikeladditivierten<br />
Beschichtungen bei einer Glühtemperatur von<br />
800 °C und Wärmtemperaturen von 1000 und 1250<br />
°C untersucht. Es ist zu erkennen, dass bei <strong>de</strong>n Haltezeiten<br />
von 90 Minuten bzw. 30 Minuten die Zun<strong>de</strong>rbildung<br />
je nach Stahlsorte und Beschichtung um<br />
40 bis 60 % verringert wer<strong>de</strong>n konnte.<br />
Abhängig von <strong>de</strong>r Beschichtung und <strong>de</strong>r Stahlsorte<br />
ist <strong>de</strong>r gebil<strong>de</strong>te Zun<strong>de</strong>r stark adhäsiv, so<br />
dass weiterführen<strong>de</strong> Untersuchungen sich vor<br />
allem mit Aufklärung <strong>de</strong>r Zun<strong>de</strong>rmorphologie,<br />
<strong>de</strong>m Einfluss von Legierungsbestandteilen und <strong>de</strong>n<br />
Wechselwirkungen mit Beschichtungsbestandteilen<br />
auf Zun<strong>de</strong>rwachstum und <strong>de</strong>n weiteren Grenzschichteffekten<br />
befassen wer<strong>de</strong>n.<br />
tives were studied at an annealing temperature of<br />
800 °C and reheating temperatures of 1000 and<br />
1250 °C. It can be seen that, for holding times of<br />
90 minutes and 30 minutes, scale formation has<br />
effectively been reduced by 40 to 60 % <strong>de</strong>pending<br />
on the steel gra<strong>de</strong> and the coating.<br />
Depending on the coating and the steel gra<strong>de</strong>,<br />
the scale formed is strongly adhesive, so that<br />
further studies will concentrate above all on<br />
investigating the scale morphology, the influence<br />
on scale growth of the alloying components<br />
and their interaction with coating constituents,<br />
as well as on further interface effects.<br />
Minimierung <strong>de</strong>r Enegieverluste beim Warmwalzen<br />
mit Hilfe von „Intelligent Manufacturing“<br />
Die Energieverluste nach <strong>de</strong>n Wärmaggregaten<br />
beim Warmumformprozess können nicht vernachlässigt<br />
wer<strong>de</strong>n, da diese mit über 50 % <strong>de</strong>r Gesamtenergieverluste<br />
eine be<strong>de</strong>uten<strong>de</strong> Größe darstellen.<br />
Die Verluste <strong>de</strong>r Sekundär- und Hilfssysteme setzen<br />
sich vornehmlich aus elektrischer Energie in <strong>de</strong>n<br />
Gerüsten, Entzun<strong>de</strong>rungsanlagen und Kühlungen<br />
zusammen. Zusätzlich entstehen Energieverluste<br />
durch ungenutzte Wärmeabstrahlung. Eine umfassen<strong>de</strong><br />
Untersuchung und Bilanzierung vom Ofen<br />
bis zu <strong>de</strong>n Abkühlzonen ist bislang noch nicht<br />
durchgeführt wor<strong>de</strong>n. Die Ziele <strong>de</strong>s laufen<strong>de</strong>s<br />
Forschungsvorhabens sind die:<br />
– Definition <strong>de</strong>s Energieflusses beim Warmwalzen<br />
– Vermin<strong>de</strong>rung <strong>de</strong>s Energieverbrauchs beim<br />
Warmwalzen<br />
– Rückgewinnung thermischer und elektrischer<br />
Energie beim Warmwalzen<br />
durch intelligente Prozessführung und Innovationen<br />
für die Walzwerkstechnologie: Einsatz von<br />
energieeffizienten Technologien, auslastungsgesteuerter<br />
Produktions- und Prozessgrößen und<br />
optimierte Stich- und Walzpläne sowie Verfahren<br />
zur Wärmerückgewinnung.<br />
An ausgewählten Produktgruppen <strong>de</strong>r Mannstaedt<br />
GmbH wur<strong>de</strong>n die energetischen Einflussgrößen in<br />
Abhängigkeit vom Produktionsprozess vom Ofen<br />
bis hin zum Kühlbett erfasst. Energieeintrag in<br />
das Walzgut, Umformarbeit, Wärmeabfuhr über<br />
die Walzen und das Kühlwasser sowie Energieeinsatz<br />
zum Transport <strong>de</strong>s Kühlwassers wur<strong>de</strong>n<br />
Minimising Energy Loss in hot Rolling by<br />
intelligent Manufacturing<br />
The energy losses downstream of the reheating<br />
furnaces in hot forming processes cannot be<br />
ignored as they account for more than 50% of<br />
the overall energy losses. The losses from the<br />
secondary and auxiliary systems are mostly electrical<br />
losses from the mill stands, <strong>de</strong>scaling plants<br />
and cooling systems. Additional energy losses<br />
occur in the form of unused radiated heat. Until<br />
now there has been no comprehensive investigation<br />
and recording of the energy balances from<br />
the furnace to the cooling zones. The objectives<br />
of the current research project are:<br />
– to <strong>de</strong>fine the energy flows during hot rolling<br />
– to reduce energy consumption during hot<br />
rolling<br />
– to recover thermal and electrical energy<br />
during hot rolling<br />
through intelligent process management and<br />
innovations for rolling mill technology. These<br />
inclu<strong>de</strong> the use of energy-efficient technologies,<br />
capacity-controlled production and process variables,<br />
and optimised pass and rolling schedules,<br />
as well as heat recovery techniques.<br />
The energy-related influencing variables were<br />
recor<strong>de</strong>d for selected product groups at Mannstaedt<br />
GmbH as a function of the production process from<br />
the furnace to the cooling bed. The studies covered<br />
the aspects of energy input into the rolling stock,<br />
forming work, heat dissipation via the rolls and<br />
the cooling water, and energy required to transport<br />
© VDEh-Betriebsforschungsinstitut GmbH<br />
85
Prozesstechnik | Oberflächentechnik und Stahlvere<strong>de</strong>lung<br />
hierbei berücksichtigt. Diese bil<strong>de</strong>n die Grundlage<br />
für eine energetische Optimierung <strong>de</strong>s Prozesses.<br />
Verschie<strong>de</strong>ne Maßnahmen wie <strong>de</strong>r gezielte Schmiermitteleinsatz<br />
zur Vermin<strong>de</strong>rung <strong>de</strong>r Walzkräfte,<br />
Kaliberfixierung <strong>de</strong>r Kühlung sowie die Rückgewinnung<br />
<strong>de</strong>r eingetragenen Wärme in das Kühlwasser<br />
und Restwärmenutzung <strong>de</strong>s Walzgutes sind in <strong>de</strong>r<br />
ersten Projekthälfte untersucht und bilanziert<br />
wor<strong>de</strong>n.<br />
Während <strong>de</strong>r Schmiermitteleinsatz, neben <strong>de</strong>r<br />
Verschleißmin<strong>de</strong>rung, nicht wie beim Warmbreitbandwalzen<br />
auch zur einer messbaren Vermin<strong>de</strong>rung<br />
<strong>de</strong>r Walzkräfte führt und eine Rückgewinnung<br />
<strong>de</strong>r Wärme aus <strong>de</strong>n Kühlkreisläufen aufgrund <strong>de</strong>r<br />
geringen Temperaturdifferenzen und –niveaus nicht<br />
aussichtsreich erscheint sind Strategien zur gezielten<br />
Vermin<strong>de</strong>rung <strong>de</strong>s Kühlwassereinsatzes und <strong>de</strong>r<br />
damit verringerten Volumenströme gekoppelt mit<br />
einer Verringerung <strong>de</strong>r notwendigen Pumpkapazität<br />
aussichtsreicher.<br />
the cooling water. The recor<strong>de</strong>d data serve as the<br />
basis for optimising the energy efficiency of the<br />
process. In the first half of the project, various<br />
measures were studied and balances drawn up,<br />
e.g. targeted use of lubricants to reduce rolling<br />
forces, roll groove-adapted cooling regimes, as<br />
well as recovery of the heat introduced to the<br />
cooling water and use of the residual heat in the<br />
rolling stock.<br />
While lubricant usage does reduce wear, it does<br />
not lead to a measurable reduction in rolling forces<br />
as it does in hot wi<strong>de</strong> strip rolling. Recovery of the<br />
heat from the cooling circuits also does not seem<br />
very rewarding because of the low temperature<br />
differentials and levels. Conversely, strategies<br />
for targeted reduction of cooling water input<br />
resulting in smaller volumetric flow rates and a<br />
reduction in the required pumping capacity do<br />
seem to offer more potential.<br />
Studie zur Leistungsfähigkeit innovativer und<br />
umweltfreundlicher Schmiermittel für das Warmwalzen<br />
von Profilen zur Standmengenerhöhung<br />
<strong>de</strong>r Walzen und Verbesserung <strong>de</strong>r Produktqualität<br />
Beim Warmwalzen von Profilen kommt es<br />
aufgrund <strong>de</strong>r thermischen und mechanischen<br />
Belastung zu hohen Verschleißraten an <strong>de</strong>n<br />
Walzen. Beson<strong>de</strong>rs in Kaliberbereichen mit höheren<br />
Study of the performance capability of innovative<br />
and environmentally friendly lubricants for<br />
hot rolling of sections to prolong roll life and<br />
improve product quality<br />
The rolls used for hot rolling of sections are<br />
subjected to heavy wear as a result of thermal and<br />
mechanical stresses. Wear is especially pronounced<br />
in the roll groove zones with high reduction<br />
Bild / Figure 74<br />
Kaliberfixierung <strong>de</strong>r Vorgerüstkühlung beim Langproduktwalzen<br />
Roll groove-adapted cooling regimes in the roughing stand for long<br />
product rolling<br />
Bild / Figure 75<br />
Verfahrensschema für einen Thermogenerator<br />
Working principle of a thermoelectric generator<br />
86 © VDEh-Betriebsforschungsinstitut GmbH
Process | Surface Technology and Finishing<br />
Umformgra<strong>de</strong>n kommt es zu Verschleißspitzen<br />
und damit zu starkem mechanischen Abrieb und<br />
Oberflächenzerrüttung. Dies führt zur Qualitätsmin<strong>de</strong>rung<br />
und Toleranzabweichungen bei <strong>de</strong>n<br />
Profilen. Zusätzlich zu <strong>de</strong>r mechanischen Belastung<br />
erhöhen die hohen Temperaturen die Reaktivität<br />
<strong>de</strong>r Werkzeugoberflächen und es kommt in Folge<br />
von Adhäsion vermehrt zu Materialanhaftungen.<br />
Daraus resultieren häufigere Walzenwechsel,<br />
wodurch Rüstzeiten bzw. Stillstandszeiten und<br />
Werkzeugkosten <strong>de</strong>utlich erhöht wer<strong>de</strong>n.<br />
Zur Verbesserung <strong>de</strong>s Warmumformprozesses<br />
wer<strong>de</strong>n oftmals komplexe, ölhaltige Schmiermittel<br />
eingesetzt. Aus Grün<strong>de</strong>n <strong>de</strong>r Arbeitssicherheit<br />
sind ölhaltige Schmiermittel insbeson<strong>de</strong>re bei<br />
<strong>de</strong>r Warmumformung kritisch zu bewerten. Als<br />
Alternative zu <strong>de</strong>n ölhaltigen Schmiermitteln sind<br />
verschie<strong>de</strong>ne wassermischbare, ölfreie Schmiermittel<br />
verfügbar. Aktuell fehlen aber noch beim<br />
Warmprofilwalzen vergleichen<strong>de</strong> Studien und Erfah-<br />
ratios, resulting in strong mechanical abrasion<br />
and surface <strong>de</strong>gradation. This leads to diminished<br />
quality and out-of-tolerance conditions in the<br />
sections. In addition to the mechanical loads,<br />
the high temperatures increase the reactivity of<br />
the tool surfaces, causing adhesion and sticking<br />
of material. This results in more frequent roll<br />
changes, with significantly longer set-up and<br />
downtimes and a significant increase in tooling<br />
costs.<br />
To improve the hot forming processes, complex<br />
oil-containing lubricants are often used. For occupational<br />
safety reasons, oil-containing lubricants<br />
are to be viewed critically, especially in hot forming<br />
operations. There are a number of water-miscible,<br />
oil-free lubricants available as alternatives to their<br />
oil-containing counterparts.Currently, however,<br />
there are still no comparative studies and experiences<br />
for hot section rolling which would allow<br />
Bild / Figure 76<br />
Einfluss <strong>de</strong>r Schmiermittelauswahl (links) und <strong>de</strong>r Applikation (rechts) auf das Drehmoment<br />
Effect of lubricant selection (left) and application (right) on the torque<br />
Bild / Figure 77<br />
Standmengenerhöhung durch gezielte Schmiermittelauswahl und -applikation<br />
Extension of tool life through targeted lubricant selection and application<br />
© VDEh-Betriebsforschungsinstitut GmbH<br />
87
Prozesstechnik | Oberflächentechnik und Stahlvere<strong>de</strong>lung<br />
rungen, die in Abhängigkeit <strong>de</strong>r Walzparameter<br />
eine gezielte Auswahl und Bewertung geeigneter<br />
ölfreier Schmiermittel ermöglichen. Im Rahmen<br />
dieses Forschungsvorhabens konnten hierzu wichtige<br />
Kenntnisse aus Technikums- und Betriebsversuchen<br />
gesammelt wer<strong>de</strong>n. Insbeson<strong>de</strong>re die Temperaturbeständigkeit<br />
und Trennfähigkeit <strong>de</strong>r Schmiermittel<br />
wur<strong>de</strong>n im Hinblick auf die Schmierleistung und<br />
Standmengenerhöhung untersucht.<br />
Für die Durchführung <strong>de</strong>r Technikumsversuche<br />
wur<strong>de</strong>n die relevanten Parameter (Temperatur,<br />
Relativgeschwindigkeit) zunächst aus Betriebsprozessen<br />
bestimmt und so die Versuchsparameter für<br />
die Untersuchung <strong>de</strong>r Schmiermittel <strong>de</strong>finiert. Die<br />
Versuche wur<strong>de</strong>n unter repräsentativen Bedingungen<br />
an 6 verschie<strong>de</strong>nen Schmiermitteln (SM1-SM6) durchgeführt.<br />
Als Kriterium für die Schmiermittelwirksamkeit<br />
wur<strong>de</strong> dabei die Drehmomentsreduzierung<br />
als direkte Folge <strong>de</strong>s eingesetzten Schmiermittels<br />
und <strong>de</strong>r Schmiermittelapplikation auf die Reibkraft<br />
gewählt. Die Versuchsergebnisse zeigen unter gleichen<br />
Versuchsbedingungen <strong>de</strong>utliche Unterschie<strong>de</strong><br />
in <strong>de</strong>r Wirksamkeit <strong>de</strong>r untersuchten Schmiermittel<br />
und Applikationsmetho<strong>de</strong>n, siehe Bild 76. Die Wirksamkeit<br />
<strong>de</strong>r untersuchten Schmiermittel variiert<br />
zwischen 7 % bis 50 % Drehmomentsreduzierung,<br />
als direktes Maß für die Reibkraftmin<strong>de</strong>rung. Der<br />
Einfluss <strong>de</strong>r Applikation auf die Wirksamkeit, d.h.<br />
<strong>de</strong>m Aufbringen <strong>de</strong>r Schmiermittel auf das Walzgut<br />
(OW), in <strong>de</strong>n Walzspalt (Spalt) o<strong>de</strong>r auf die Walze<br />
(UW), liegt für die Mittelwerte bei 25% (UW), 36%<br />
(Spalt) und 40% (OW).<br />
Um die Ergebnisse aus <strong>de</strong>n Technikumsversuchen zu<br />
verifizieren und die Leistungsfähigkeit <strong>de</strong>r Schmiermittel<br />
und <strong>de</strong>r Applikation unter betrieblichen Bedingungen<br />
zu testen, wur<strong>de</strong>n produktionsbegleitend<br />
Schmierversuche bei einem Werkspartner durchgeführt.<br />
Das Ziel <strong>de</strong>r Betriebsversuche war die Erhöhung<br />
<strong>de</strong>r Standmengen durch die Auswahl und <strong>de</strong>n Einsatz<br />
geeigneter Schmiermittel und <strong>de</strong>ren optimierter<br />
Applikation. Hierzu wur<strong>de</strong>n in 3 Versuchsreihen<br />
unter Betriebsbedingungen zwei auf <strong>de</strong>r Technikumsanlage<br />
voruntersuchte Schmiermittel eingesetzt und<br />
<strong>de</strong>r Einfluss <strong>de</strong>r Schmiermittelaufbringung in <strong>de</strong>n<br />
Walzspalt und auf die Profiloberflächen verglichen.<br />
Da bereits in <strong>de</strong>n Technikumsversuchen die bei<strong>de</strong>n<br />
leistungsfähigsten Schmiermittel i<strong>de</strong>ntifiziert wur<strong>de</strong>n,<br />
konnte unter Betriebsbedingungen kein Unterschied<br />
festgestellt wer<strong>de</strong>n. Die Standmengerhöhung in<br />
Abhängigkeit <strong>de</strong>r Schmiermittelapplikation lag im<br />
Mittel mit 4% für Walzspaltschmierung und 21%<br />
für die Profilschmierung <strong>de</strong>utlich über <strong>de</strong>n nicht<br />
geschmierten Standmengen, siehe Bild 77.<br />
targeted selection and assessment of suitable<br />
oil-free lubricants as a function of the rolling<br />
parameters. In the course of this research project,<br />
important information was gathered from tests<br />
in the technical centre laboratory and in real-life<br />
industrial conditions. Factors of particular interest<br />
were the temperature resistance and release properties<br />
and hence the lubricant performance and<br />
ability to prolong tool life.<br />
Before the tests were run in the technical centre,<br />
the relevant parameters (temperature, relative<br />
velocity) were <strong>de</strong>termined from the industrial<br />
environments in or<strong>de</strong>r to <strong>de</strong>fine the test parameters<br />
for studying the lubricants. The tests were carried<br />
out on 6 different lubricants (SM1-SM6) .un<strong>de</strong>r<br />
representative conditions The criterion selected<br />
for judging the effectiveness of the lubricant<br />
was the reduction in torque as a direct consequence<br />
of the reduction in frictional force due<br />
to the lubricant used and the way it is applied.<br />
The test results showed that, un<strong>de</strong>r the same test<br />
conditions, there were major differences in the<br />
effectiveness of the lubricants studied and the<br />
application methods, see Fig. 76. The performance<br />
of the lubricants studied varied between a 7% and<br />
a 50% reduction in torque, as a direct measure of<br />
the reduction in frictional force. The influence of<br />
the application method on the effectiveness, i.e.<br />
application of the lubricant to the rolling stock<br />
(OW), into the roll gap (Spalt) or to the roll (UW)<br />
averaged 25% (UW), 36% (Spalt) and 40% (OW).<br />
In or<strong>de</strong>r to verify the results from the technical<br />
centre tests and to test the performance of the<br />
lubricants and the application method un<strong>de</strong>r industrial<br />
conditions, lubricant tests were performed in<br />
an operational situation at an industrial partner.<br />
The aim of the industrial tests was to prolong the<br />
tool life by selecting and using suitable lubricants<br />
with appropriately optimised application methods.<br />
Three test series were therefore conducted un<strong>de</strong>r<br />
operational conditions, using two lubricants<br />
that had been previously tested in the technical<br />
centre, to test the effects of lubricant application<br />
into the rolling gap and onto the section<br />
surface. Since the tests in the technical centre<br />
had already i<strong>de</strong>ntified the two best performing<br />
lubricants, the tests un<strong>de</strong>r operational conditions<br />
did not reveal any differences. The extension of<br />
tool life as a function of lubricant application<br />
point was an average of 4 % with lubrication in<br />
the rolling gap and 21 % with lubrication of the<br />
section, and thus significantly higher than the<br />
figures without lubrication, see Fig. 77.<br />
88 © VDEh-Betriebsforschungsinstitut GmbH
Process | Surface Technology and Finishing<br />
Erhöhung <strong>de</strong>r Performance beim Kaltwalzen durch<br />
neue Schmiermittel und innovative Arbeitswalzenkonzepte<br />
Ziel <strong>de</strong>s Forschungsvorhaens war die Auswahl<br />
und Untersuchung neuer Schmiermittelkonzepte<br />
sowie neuartiger Beschichtungskonzepte für die<br />
Arbeitswalzen beim Kaltwalzen von Kohlenstoffstählen<br />
sowie Warmwalzen von Aluminium. Neben<br />
polymer- und glykolbasierten Schmierstoffen ist <strong>de</strong>r<br />
Einsatz von nanoskalierten Feststoffen als Additivzusatz<br />
in konventionellen Schmierstoffen untersucht<br />
wor<strong>de</strong>n. Zur Verifizierung <strong>de</strong>r Laborergebnisse<br />
sind intensive Pilotversuche durchgeführt und<br />
erste industrielle Anwendungen realisiert wor<strong>de</strong>n.<br />
Der Einsatz von ausgewählten Nanopartikeln als<br />
Additivkomponente in konventionellen Schmierstoffen<br />
zeigt bei MoS 2<br />
- o<strong>de</strong>r WS 2<br />
-Partikeln eine<br />
verbesserte Kraftübertragung sowie eine vermin<strong>de</strong>rte<br />
Reibung im Vergleich zum konventionell<br />
additivierten Schmierstoff. Die dauerhafte Stabilisierung<br />
sowie die schwer zu kontrollieren<strong>de</strong>n<br />
Verbreitungswege limitieren zur Zeit allerdings<br />
<strong>de</strong>n großtechnischen Einsatz von nanoskaligem<br />
Material. Bei <strong>de</strong>n Beschichtungssystemen konnte<br />
vielversprechen<strong>de</strong> TiHfCrN-PVD-Beschichtungen<br />
untersucht wer<strong>de</strong>n, die eine sehr gute Substrat-<br />
Increase of cold rolling performance by new<br />
lubricant and innovative work roll concepts<br />
The aim of the research project was the selection<br />
and investigation of new lubricant concepts<br />
and novel coating concepts for work rolls in the<br />
cold rolling of carbon steels and the hot rolling<br />
of aluminium. In addition to polymer and glycolbased<br />
lubricants, the use of nanoscale solids as<br />
additives in conventional lubricants was also<br />
studied. To verify the laboratory results, intensive<br />
pilot tests were performed and the first industrial<br />
applications were implemented.<br />
The use of selected nanoparticles as additives<br />
in conventional lubricants revealed that with<br />
MoS 2<br />
or WS 2<br />
particles, there was an improvement<br />
in force transmission and a reduction in<br />
friction compared to lubricants with conventional<br />
additives. However, the question of long-term<br />
stabilisation and the fact that the distribution<br />
channels are difficult to control are currently<br />
limiting the use of nanoscale materials on an<br />
industrial scale. Regarding the coating systems,<br />
promising TiHfCrN PVD coatings have been studied<br />
which exhibit very good adhesion to substrates<br />
and have a high resistance to wear. Before they<br />
Bild / Figure 78<br />
PAG mit Fremdöl und Feinstpartikeln<br />
PAG with tramp oil and microfine particles<br />
© VDEh-Betriebsforschungsinstitut GmbH<br />
Bild / Figure 79<br />
Quarto-Gerüs-Auslauf <strong>de</strong>r Fa Bilstein<br />
4-high mill stand exit si<strong>de</strong> at Bilstein<br />
89
Prozesstechnik | Oberflächentechnik und Stahlvere<strong>de</strong>lung<br />
haftung sowie eine hohe Verschleißbeständigkeit<br />
aufzeigten. Vor einem industriellen Einsatz sind<br />
die Wechselwirkungen mit <strong>de</strong>m Schmierstoff sowie<br />
<strong>de</strong>r Einfluss auf das Band noch zu präzisieren.<br />
Erste Industrieversuche an einem Quartogerüst,<br />
Bild 79, zeigten bei Abnahmen von bis zu 20 % eine<br />
vergleichbare Performance und Oberflächenqualität<br />
wie bei <strong>de</strong>m bislang verwen<strong>de</strong>ten ölbasierten<br />
Schmierstoff. Der anschließen<strong>de</strong> Glühprozess zeigte<br />
keine Auffälligkeiten sowie keinerlei Korrosionserscheinungen<br />
im ungeglühten Coil.<br />
Der Einsatz von Polyalkylenglykolen (PAG) zeigte<br />
sehr gute Ergebnisse in <strong>de</strong>n Labor- und Pilotversuchen.<br />
Die getesteten Produktvarianten weisen<br />
zum Teil bessere tribologische Eigenschaften als die<br />
konventionell eingesetzten Emulsionsbildner auf.<br />
Auch ist die Rückstandsbildung im Prozess und auf<br />
<strong>de</strong>n Bandoberflächen gering und auf die weitere<br />
Verarbeitung bislang ohne erkennbaren Einfluss.<br />
Auch sind die Pflegeeingenschaften <strong>de</strong>r PAG <strong>de</strong>utlich<br />
vereinfacht (Einphasensystem PAG-Schmiermittel mit<br />
aufschwimmen<strong>de</strong>n Fremdöl mit Feinabrieb, Bild 78<br />
und die damit verbun<strong>de</strong>nen Schmiermittelverluste<br />
<strong>de</strong>utlich vermin<strong>de</strong>rt. So sind Einsparungen von über<br />
50% bei <strong>de</strong>r Schmiermittelpflege, Ergänzung <strong>de</strong>r<br />
Schmiermittelverluste und Entsorgung möglich.<br />
In Pilotwalzversuchen ist das Verhalten unterschiedlicher<br />
Schmiermittel während einer Stichabnahme<br />
auf einem nierdiglegiertem C-Stahl untersucht<br />
wor<strong>de</strong>n. In insgesamt 4 Stichen wur<strong>de</strong> das<br />
can be used industrially, their interactions with<br />
the lubricant and their effect on the strip still<br />
have to be investigated more closely.<br />
The first industrial trials on a four-high mill<br />
stand, Fig. 79, with reduction rates of up to 20%<br />
returned a comparable performance and surface<br />
quality as the oil-based lubricant that had been<br />
used previously. The subsequent annealing process<br />
showed no anomalies and there were no corrosion<br />
phenomena at all in the unannealed coil.<br />
The use of polyalkylene glycols (PAG) showed<br />
very good results in laboratory tests and pilot<br />
trials. The tested product variants in some cases<br />
showed better tribological properties than the<br />
conventionally used emulsion. Moreover, the<br />
build-up of residues in the process and on the strip<br />
surface is low and does not have any <strong>de</strong>tectable<br />
effect on downstream processing. PAGs are also<br />
significantly easier to maintain (single-phase PAG<br />
lubricant system with floating tramp oil with<br />
fine abra<strong>de</strong>d particles, Fig. 78, which consi<strong>de</strong>rably<br />
reduces the lubricant losses. Savings of over<br />
50% on lubricant maintenance, replenishment<br />
of lubricant losses, and disposal costs are thus<br />
possible.<br />
In pilot rolling tests, the behaviour of different<br />
lubricants was studied during one reducing pass<br />
campaign with a lower-alloyed carbon steel.<br />
In a total of 4 passes, the strip thickness was<br />
reduced from 2 mm to 0.24 mm with an average<br />
Bild / Figure 80<br />
Vorauseilung <strong>de</strong>r dritten Stichfolge für drei ausgewählte Schmierstoffe (2PAG, 1 recyclete Ölbasis)<br />
Forward slip in the third pass for three selected lubricants (2 PAGs, 1 recycled oil-based)<br />
90 © VDEh-Betriebsforschungsinstitut GmbH
Process | Surface Technology and Finishing<br />
Material von 2 mm auf 0,24 mm Banddicke reduziert<br />
bei durchschnittlich 30-40% Reduktion. Die<br />
ermittelte Vorauseilung im dritten Stich ist in<br />
Bild 80 zu sehen. Die PAG C1Pf und H4P2t zeigen<br />
einen geringere Vorauseilung und geringeren<br />
Krafteinsatz als die Referenzkampagnen (nicht<br />
im Bild, C 2<br />
O a<br />
ist ein Emulsionsbildner auf Basis<br />
eines recycleten Öls).<br />
Weiterer Forschungsbedarf mit Potential zur<br />
industriellen Implementierung <strong>de</strong>r PAG ist gegeben<br />
und soll in einem folgen<strong>de</strong>n Forschungsvorhaben<br />
weiter untersucht wer<strong>de</strong>n.<br />
reduction rate of 30-40%. The forward slip that<br />
was <strong>de</strong>termined in the third pass can be seen in<br />
Fig. 80. The PAGs C1Pf and H4P2t show a lower<br />
rate of forward slip and lower required force than<br />
the reference campaigns (not shown; C 2<br />
O a<br />
is an<br />
emulsion based on a recycled oil).<br />
Further research will be nee<strong>de</strong>d into PAGs with<br />
the potential for industrial implementation and<br />
this research is to be continued in a follow-on<br />
project.<br />
Einsatz nanoskalierter Additive in grafit- und<br />
ölfreien Schmiermitteln für das Gesenkschmie<strong>de</strong>n<br />
Bei Warmgesenkschmie<strong>de</strong>n verhin<strong>de</strong>rn Schmiermittel<br />
die Materialadhäsion und verringern die<br />
Reibung zwischen Werkstück und Gesenk. Die<br />
Reibung und die Adhäsion beeinflussen unter<br />
an<strong>de</strong>rem die Formfüllung, <strong>de</strong>n mechanischen<br />
Verschleiß <strong>de</strong>r Gesenke und die notwendige Umformarbeit.<br />
In vielen Umformprozessen wird zu<strong>de</strong>m<br />
<strong>de</strong>r Schmiermittelauftrag mit einer Kühlung <strong>de</strong>s<br />
Gesenks kombiniert.<br />
Bezüglich Reibungsmin<strong>de</strong>rung und Trennwirkung<br />
weisen grafit- und ölhaltige (schwarze) Schmiermittel<br />
<strong>de</strong>utliche Vorteile gegenüber alternativen<br />
Schmiermitteln auf. Allerdings führen sie zu einer<br />
starken Belastung <strong>de</strong>r Wasserkreisläufe und <strong>de</strong>r<br />
Arbeitsplatzatmosphäre, wodurch Pflegeaufwand<br />
und Instandhaltungskosten steigen.<br />
Bei Gesenkschmie<strong>de</strong>prozessen mit geringeren<br />
Anfor<strong>de</strong>rungen bzgl. Umformgrad, Taktzeit und<br />
Oberflächenqualität (z. B. gratbehaftet) können heute<br />
bereits zum Teil grafit- und ölfreie (weiße) Schmiermittel<br />
verwen<strong>de</strong>t wer<strong>de</strong>n, die auf Polymeren, Salzen<br />
o<strong>de</strong>r organischen Verbindungen basieren. Sind die<br />
Reibungsmin<strong>de</strong>rung und Trennwirkung ausreichend,<br />
können die nachteiligen Eigenschaften grafithaltiger<br />
Schmiermittel vermie<strong>de</strong>n wer<strong>de</strong>n. Dagegen müssen<br />
bei langen Fließwegen, hohen Umformgra<strong>de</strong>n,<br />
hohen Temperaturen und kurzen Taktzeiten, wie<br />
sie bei Gesenkschmie<strong>de</strong>prozessen häufig vorliegen,<br />
meist schwarze Schmiermittel eingesetzt wer<strong>de</strong>n.<br />
In diesen Prozessen erreichen weiße Schmiermittel<br />
noch nicht die Leistungsfähigkeit gängiger grafithaltiger<br />
Schmiermittel.<br />
Erste Untersuchungen mit nanoskalierten Feststoffen<br />
in Schmiermitteln zeigen ein hohes Potential<br />
bezüglich Reibungsmin<strong>de</strong>rung und Verschleißverhalten.<br />
Diese Ergebnisse beziehen sich auf<br />
Use of nanoscale additives in graphite- and oilfree<br />
lubricants for die forging<br />
In hot die forging, lubricants prevent the material<br />
from adhering and reduce the friction between<br />
the workpiece and the die. Friction and adhesion<br />
exert an influence on, among other things, the<br />
filling of the die shape, mechanical wear on the<br />
die, and the necessary forming work. In many<br />
forming processes, the application of lubricant<br />
is also combined with cooling of the die.<br />
When it comes to reducing friction and having a<br />
mould-release effect, graphite- and oil-containing<br />
(black) lubricants present distinct advantages<br />
over other kinds of lubricants. However, they do<br />
put a heavy bur<strong>de</strong>n on the water circuits and the<br />
workplace air quality and drive up the maintenance<br />
and repair cost and effort.<br />
In die forging processes with low requirements<br />
regarding <strong>de</strong>gree of <strong>de</strong>formation, cycle times<br />
and surface quality (e.g. the presence of burrs<br />
is accepted), it is already possible today in some<br />
cases to use graphite- and oil-free (white) lubricants<br />
based on polymers, salts or other organic<br />
compounds. As long as the friction-reducing and<br />
anti-adhesion effects are a<strong>de</strong>quate, this gives<br />
users an opportunity to avoid the drawbacks of<br />
graphite-containing lubricants. Nevertheless,<br />
for long material flow paths, high <strong>de</strong>grees of<br />
<strong>de</strong>formation, high temperatures and short cycle<br />
times, such as are frequently found in die forging<br />
processes, the most common practice is to use<br />
black lubricants as the white lubricants have not<br />
yet reached the same performance capability as<br />
the graphite-containing varieties.<br />
Initial studies with nanoscale solids in lubricants<br />
have revealed a high potential with<br />
regard to reducing friction and improving wear<br />
© VDEh-Betriebsforschungsinstitut GmbH<br />
91
Prozesstechnik | Oberflächentechnik und Stahlvere<strong>de</strong>lung<br />
Prozesse <strong>de</strong>r Kaltumformung. Aufgrund <strong>de</strong>r hohen<br />
thermischen Belastung in <strong>de</strong>r Warmumformung<br />
lassen sich diese Ergebnisse nicht auf Prozesse <strong>de</strong>r<br />
Warmumformung übertragen. Daher wur<strong>de</strong> im<br />
Rahmen eines geför<strong>de</strong>rten Forschungsprojekts<br />
untersucht, ob durch Verwendung nanoskalierter<br />
Additive <strong>de</strong>r Einsatzbereich weißer Schmiermittel<br />
beim Warmgesenkschmie<strong>de</strong>n erweitert wer<strong>de</strong>n<br />
kann. Ziel dieses Forschungsvorhabens war die<br />
Leistungssteigerung von Schmiermitteln für Prozesse<br />
<strong>de</strong>r Warmmassivumformung durch Zugabe von<br />
nanoskalierten Additiven.<br />
Um das Potential <strong>de</strong>r nanoskalierten Additive zu<br />
untersuchen, wur<strong>de</strong>n drei unterschiedlich wirken<strong>de</strong><br />
Additive (Aluminiumoxid Al 2<br />
O 3<br />
, hexagonales Bornitrid<br />
hBN und Kohlenstoffpelets CNF) ausgewählt.<br />
Deren Einfluss auf das Schmiermittel wur<strong>de</strong> für<br />
zwei grafitfreie Schmiermittel <strong>de</strong>r Warmmassivum-<br />
behaviour. These results were obtained in cold<br />
forming processes. Because of the high thermal<br />
loads involved in hot forming, the results are not<br />
transferrable to hot forming processes. Consequently,<br />
the aim of a fun<strong>de</strong>d research project<br />
was to investigate whether the use of nanoscale<br />
additives could broa<strong>de</strong>n the range of applications<br />
of white lubricants in hot die forging. The objective<br />
was to increase the performance capability of<br />
lubricants for hot massive forming by enhancing<br />
them with nanoscale additives.<br />
To study the potential of the nanoscale additives,<br />
three additives with different effects were<br />
chosen (aluminium oxi<strong>de</strong> Al2O3, hexagonal boron<br />
nitri<strong>de</strong> hBN, and carbon pellets CNF). Their effect<br />
on the lubricant performance was <strong>de</strong>termined<br />
for two graphite-free lubricant types which had<br />
Bild / Figure 81<br />
oben: Leistungssteigerung durch Zugabe von Nano-Additiven, unten: Einfluss <strong>de</strong>r Nano-Additive auf Produkt- und Prozessgrößen<br />
above: Performance enhancement through nano-additives, below: effect of nano-additives on product and process variables.<br />
92 © VDEh-Betriebsforschungsinstitut GmbH
Process | Surface Technology and Finishing<br />
formung bestimmt, die aus einer repräsentativen<br />
Gruppe von fünf aktuell eingesetzten Schmiermitteln<br />
ausgewählt wur<strong>de</strong>n. Die Auswahl erfolgte<br />
anhand von Technikumsversuchen, in <strong>de</strong>nen <strong>de</strong>ren<br />
tribologische Leistungsfähigkeit untersucht wur<strong>de</strong>.<br />
Das grafitfreie Schmiermittel Grafitfrei 2 zeigte<br />
dabei die beste Wirksamkeit gefolgt von Schmiermittel<br />
Grafitfrei 1.<br />
Die Technikumsversuche zeigen einen <strong>de</strong>utlichen<br />
positiven Einfluss <strong>de</strong>r nanoskalierten Additive auf<br />
die Leistungsfähigkeit <strong>de</strong>r grafitfreien Schmiermittel.<br />
In drei unterschiedlichen Schmie<strong>de</strong>betrieben<br />
wur<strong>de</strong> die Leistungsfähigkeit <strong>de</strong>r ausgewählten<br />
Schmiermittel-Additiv-Kombinationen untersucht.<br />
Die Ergebnisse <strong>de</strong>r Industrieversuche bestätigen<br />
die Technikumsergebnisse und die Leistungssteigerung<br />
grafitfreier Schmiermitteln durch <strong>de</strong>n<br />
Einsatz nanoskalierter Additive, Bild 81 Das in<br />
Technikumsversuchen wirksamere Schmiermittel<br />
Grafitfrei 2 zeigte insgesamt in <strong>de</strong>n Versuchen eine<br />
geringe Steigerung, bei <strong>de</strong>m weniger wirksamen<br />
Schmiermittel Grafitfrei 1 konnte daher eine <strong>de</strong>utliche<br />
Leistungssteigerung erreicht wer<strong>de</strong>n.<br />
Der Einsatz von ausgewählten, nanoskalierten<br />
Additiven ist allerdings stark von <strong>de</strong>n Produkt- und<br />
Prozesseigenschaften abhängig und eine Steigerung<br />
<strong>de</strong>r Leistungsfähigkeit und Gesenkstandmengen<br />
können nicht in je<strong>de</strong>r Kombination nachgewiesen<br />
wer<strong>de</strong>n.<br />
been selected from a representative group of five<br />
lubricants currently used in hot massive forming.<br />
Selection was done based on service laboratory<br />
tests which looked at their tribological performance.<br />
The graphite-free lubricant “Grafitfrei<br />
2” showed the best performance, followed by<br />
the lubricant “Grafitfrei 1”.<br />
The service lab tests showed that the nanoscale<br />
additives had a pronounced positive effect on<br />
the performance of the graphite-free lubricants.<br />
The performance capability of the selected<br />
lubricant-additive combinations was then studied<br />
in three different forging enterprises. The results<br />
of the industrial tests confirmed the service laboratory<br />
findings regarding the improved performance<br />
capability of graphite-free lubricants after<br />
enhancement with nanoscale additives, Fig. 81.<br />
The Grafitfrei 2 lubricant, which had proved<br />
more effective in the service lab tests, showed<br />
a minor improvement in performance, whereas<br />
the less effective lubricant Grafitfrei 1 achieve a<br />
significant increase in performance.<br />
However, the use of selected, nanoscale additives<br />
does <strong>de</strong>pend heavily on the product and process<br />
properties and it is not possible to improve the<br />
performance capability and die lifetimes in every<br />
combination.<br />
Verbesserung <strong>de</strong>r Walzenstandmenge und<br />
Oberflächenqualitäten von Warmband durch<br />
innovative Kopplung von Schmierung und<br />
Bandoberflächenkühlung<br />
Ziel dieses Forschungsvorhabens war die Auswahl<br />
und Untersuchung ölfreier Schmierstoffe sowie<br />
Applikationsvarianten für <strong>de</strong>n Einsatz beim<br />
Warmbreitbandwalzen. Die Vermin<strong>de</strong>rung von<br />
Walzkräften, die Beeinflussung <strong>de</strong>r Oberflächenqualität<br />
u.a. durch einen mit <strong>de</strong>r Schmierung gekoppelten<br />
Kühleffekt und die Auswirkungen auf die<br />
Walzperformance sind untersucht wor<strong>de</strong>n. Über<br />
Labor-untersuchungen, Pilotanwendungen bis zum<br />
ersten betrieblichen Umsetzung an einem ausgewählten<br />
Gerüst wur<strong>de</strong> ein kontinuierliches Scale-up<br />
betrieben. Neben <strong>de</strong>r Prozesseignung wur<strong>de</strong>n auch<br />
die Einflüsse auf die betriebliche Wasserwirtschaft<br />
und Möglichkeiten zur Rückgewinnung aus <strong>de</strong>m<br />
Kühlwasser untersucht.<br />
Advanced method to improve work roll life time<br />
and surface quality of hot rolled strip by new<br />
coupled lubrication and chilling<br />
The objective of a completed research project was<br />
to select and study oil-free lubricants and application<br />
variants for use in hot wi<strong>de</strong> strip rolling.<br />
The reduction of rolling forces, adjustment of<br />
surface quality, for example by coupling lubrication<br />
with a chilling effect, and the effects on rolling<br />
performance were studied. The work was scaled<br />
up continuously from laboratory experiments and<br />
pilot applications to industrial implementation on<br />
a selected mill stand. In addition to <strong>de</strong>termining<br />
process capability, the effects on industrial water<br />
management and the possibility of recovering the<br />
lubricants from the cooling water were studied.<br />
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93
Prozesstechnik | Oberflächentechnik und Stahlvere<strong>de</strong>lung<br />
Verschie<strong>de</strong>ne frei am Markt verfügbaren ölfreien<br />
Schmierstoffe wur<strong>de</strong> in Labor- und Pilotversuchen<br />
auf Ihr grundlegen<strong>de</strong> tribologische Leistungsfähigkeit<br />
sowie <strong>de</strong>r Einfluss <strong>de</strong>r Applikation auf <strong>de</strong>ren<br />
Wirkungsweise untersucht, Bild 82.<br />
Der SRV-test wird auch zur Bewertung von Kaltwalzölen<br />
verwen<strong>de</strong>t und die Reibwertsvermin<strong>de</strong>rung<br />
durch die klassische Schmierfilmbildung untersucht.<br />
Bei <strong>de</strong>n Versuchen im Pilotwalzwerk wur<strong>de</strong>n im<br />
letzten von 5 Stichen die Oberwalze variable und<br />
die Unterseite nur das Walzgut mit Schmierstoff<br />
beaufschlagt. Aus <strong>de</strong>r Kraftvermin<strong>de</strong>rung sowie <strong>de</strong>r<br />
unterschiedlichen Drehmomente <strong>de</strong>r unabhängig<br />
voneinan<strong>de</strong>r angetriebenen Walzen konnte die<br />
unterschiedliche Wirkungsweise <strong>de</strong>r Schmier-<br />
Various commercially available oil-free lubricants<br />
were tested in laboratory and pilot set-ups to<br />
<strong>de</strong>termine their fundamental tribological performance<br />
and the effect of the application method<br />
on their action, Fig. 82.<br />
The SRV test is also used to assess cold rolling<br />
oils and the friction reduction a result of the<br />
classic lubricant film formation. In the tests in<br />
the pilot rolling mill, the last of 5 passes was<br />
used to lubricate the top roll in varying ways,<br />
while on the bottom roll si<strong>de</strong> the lubricant was<br />
only applied to the rolling stock. Since the rolls<br />
were driven in<strong>de</strong>pen<strong>de</strong>ntly of one another, the<br />
reduction in force and the different torques was<br />
used to study the different effects of the lubri-<br />
Bild / Figure 82<br />
Ausgewählte Versuchsergebnisse, oben: Reibkoeffizienten in SRV-trials, unten: Ausgewählte Ergebnisse <strong>de</strong>r Pilotwalzversuche<br />
Selected test results, above: Friction coefficient in SRV trials, below: Selected results from the pilot rolling tests<br />
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Process | Surface Technology and Finishing<br />
mittel untersucht wer<strong>de</strong>n. So zeigte sich bei <strong>de</strong>n<br />
ölfreien Schmiermitteln die beste Wirkungsweise<br />
bei <strong>de</strong>r Applikation über das Band. Hierbei kommt<br />
es zu einer Mischwirkung von Ausbildung eines<br />
tribologisch aktiven Rückstands und einer Flüssigkeitsfilmschmierung<br />
durch Flottenbildung vor <strong>de</strong>m<br />
Spalt auf <strong>de</strong>m Band (Oberwalze). Des Weiteren ist<br />
<strong>de</strong>r Einfluss <strong>de</strong>s umgeben<strong>de</strong>n Kühlwassers gering<br />
und die Schmierwirkung setzt unmittelbar nach<br />
Walzgutbeaufschlagung ein. Zwei Schmierstoffe<br />
zeigten in <strong>de</strong>n Untersuchungen beson<strong>de</strong>re Leistungsfähigkeit<br />
und wur<strong>de</strong>n für die folgen<strong>de</strong>n intensiveren<br />
Prüfungen und Untersuchungen ausgewählt.<br />
Bei <strong>de</strong>r Applikation auf das Walzgut kommt es<br />
zusätzlich zu einer Kühlung <strong>de</strong>r Walzgutoberfläche,<br />
welche zu einer weiteren Verbesserung <strong>de</strong>r<br />
Oberflächenqualität führen kann. Bild 83 zeigt die<br />
unterschiedlichen Abkühlraten für Flachstrahl-,<br />
Zerstäuber- und Vollkegeldüsen. Die besten Ergebnisse<br />
hinsichtlich Kühl- und Schmierwirkung<br />
konnten mit <strong>de</strong>n Vollkegeldüsen erzielt wer<strong>de</strong>n,<br />
während eine vergleichbare Schmierwirkung bei<br />
<strong>de</strong>utlich verringertem Verbrauch für die Zerstäuberdüsen<br />
erzielt wer<strong>de</strong>n konnte (<strong>de</strong>r Kühleffekt<br />
war vergleichsweise gering).<br />
Die ölfreien Schmiermittel bieten zurzeit noch<br />
keine wirtschaftliche Alternative zu <strong>de</strong>n ölhaltigen<br />
Schmierstoffen im Warmbreitbandwalzen, doch sind<br />
die zuverlässige und unmittelbare Schmierwirkung als<br />
auch die zusätzliche Kühlwirkung und gute Umweltverträglichkeit<br />
mit in die Wirtschaftlichkeit mit<br />
cants. The oil-free lubricants were found to work<br />
best when they were applied via the strip. This<br />
resulted in a mixed effect due to the build-up<br />
of tribologically active residues and liquid film<br />
lubrication through accumulation of lubricant<br />
on the strip upstream of the rolling gap (top roll).<br />
Furthermore, the influence of the surrounding<br />
cooling water is low and the lubricant effect sets in<br />
immediately after the lubricant has been applied<br />
to the rolling stock. Two lubricants were found<br />
to perform especially well during the studies<br />
and were therefore selected for more intensive<br />
investigations.<br />
When the lubricant is applied directly to the<br />
rolling stock, this results in additional cooling<br />
of the rolling stock surface, which can further<br />
improve the surface. Fig. 83 shows different<br />
cooling rates for flat jet, atomizer, and full cone<br />
nozzle <strong>de</strong>signs. The best combined chilling and<br />
lubricating results were achieved with the full<br />
cone nozzles, while it was possible to achieve a<br />
comparable lubricating effect with less consumption<br />
by using the atomizer nozzles (though with<br />
a relatively minor cooling effect).<br />
Oil-free lubricants do not yet constitute an<br />
economical alternative to oil-containing lubricants<br />
in hot wi<strong>de</strong> strip rolling, but nevertheless their<br />
reliable and immediate lubricating effect and the<br />
additional cooling effect and good environmental<br />
compatibility should always be consi<strong>de</strong>red as<br />
Bild / Figure 83<br />
Bandoberflächentemperatur für unterschiedliche Applikationsparameter <strong>de</strong>s Schmiermittels 4 (lub4)<br />
Strip surface temperature for different application parameters of lubricant 4 (lub4)<br />
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95
Prozesstechnik | Oberflächentechnik und Stahlvere<strong>de</strong>lung<br />
ein zu beziehen. Eine Adaption <strong>de</strong>r Applikation für<br />
ölhaltige Schmierstoffe in <strong>de</strong>n Walzspalt ist <strong>de</strong>nkbar<br />
und führt ähnlich wie die Peeling-Kühlung zu einer<br />
gezielten Oberflächenkühlung. Weiterer Forschungsbedarf<br />
und Entwicklungsbedarf mit Potential zur<br />
industriellen Implementierung ist gegeben.<br />
part of cost-efficiency consi<strong>de</strong>rations. An adaptation<br />
of the application method for oil-containing<br />
lubricants in the rolling gap is conceivable and<br />
– like peeling cooling – would lead to targeted<br />
cooling of the surface. There is still a need for<br />
research and <strong>de</strong>velopment work in this area with<br />
the potential for industrial implementation.<br />
Anwendung neuartiger Beschichtungssysteme zur<br />
Vermin<strong>de</strong>rung <strong>de</strong>r thermischen Ermüdung und <strong>de</strong>s<br />
abrasiven Verschleißes bei Arbeitswalzen<br />
Beim Warmwalzen von Profilen sind Walzen<br />
hohen thermischen und mechanischen Belastungen<br />
ausgesetzt. Beson<strong>de</strong>rs in Kaliberbereichen mit<br />
höheren Umformgra<strong>de</strong>n kommt es zu starkem<br />
mechanischen Abrieb und Oberflächenzerrüttung<br />
und damit zu Qualitätsmin<strong>de</strong>rung und Toleranzabweichungen<br />
bei <strong>de</strong>n Profilen. Zusätzlich zu<br />
<strong>de</strong>r mechanischen Belastung erhöhen die hohen<br />
Temperaturen die Reaktivität <strong>de</strong>r Werkzeugoberflächen,<br />
was vermehrt zu Materialanhaftungen<br />
in Folge von Adhäsion führt. Daraus resultieren<br />
häufigere Walzenwechsel, wodurch Rüstzeiten bzw.<br />
Stillstandszeiten und Werkzeugkosten <strong>de</strong>utlich<br />
erhöht wer<strong>de</strong>n. Zur Verbesserung <strong>de</strong>r Walzenstandmengen<br />
wer<strong>de</strong>n in diesem Forschungsprojekt<br />
innovative Beschichtungssysteme erstmalig für<br />
<strong>de</strong>n Einsatz beim Warmprofilwalzen untersucht<br />
und weiterentwickelt. Das Ziel sind Oberflächenbeschichtungen,<br />
die <strong>de</strong>n abrasiven und adhäsiven<br />
Verschleiß verringern. Als Beschichtungssysteme<br />
wer<strong>de</strong>n im Rahmen dieses Forschungsprojektes<br />
– PVD- Schichten (Physical Vapour Deposition),<br />
– Keramische Schichten,<br />
– Hochgeschwindigkeits- und Kaltspritzschichten<br />
sowie<br />
– Galvanische Dispersionsschichten<br />
untersucht.<br />
Increased abrasive wear and thermal fatique<br />
resistance of Long Product work rolls by application<br />
of novel coating technologies<br />
During the hot rolling of sections, the rolls are<br />
exposed to high thermal and mechanical loading.<br />
Strong mechanical abrasion and surface <strong>de</strong>gradation<br />
are especially pronounced in the roll groove<br />
zones with high reduction ratios, which results<br />
in poorer quality and out-of-tolerance conditions<br />
in the rolled sections. In addition to the mechanical<br />
loads, the high temperatures increase the<br />
reactivity of the tool surfaces, causing material<br />
<strong>de</strong>posits due to adhesion. This results in more<br />
frequent roll changes, with significantly longer<br />
set-up and downtimes and a significant increase<br />
in tooling costs. With a view to improving the<br />
tool life of the rolls, an research project is for<br />
the first time investigating innovative coating<br />
systems as to their use in hot section rolling mills<br />
and <strong>de</strong>veloping them further. The objective is to<br />
create surface coatings that reduce abrasive and<br />
adhesive wear. The coating systems being studied<br />
in this research project are<br />
– PVD coatings (Physical Vapour Deposition),<br />
– ceramic coatings,<br />
– high-speed and cold-spray coatings, and<br />
– galvanic dispersion coatings<br />
Bild / Figure 84<br />
Oberfläche und Querschliff einer Dispersionsbeschichtung<br />
Surface and transverse section of a dispersion coating<br />
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Process | Surface Technology and Finishing<br />
Das <strong>BFI</strong> erprobt bestehen<strong>de</strong> Dispersionsbeschichtungen<br />
auf <strong>de</strong>ren Eignung für die Bedingungen<br />
beim Warmwalzen von Profilen und entwickelt die<br />
Schichtsysteme weiter. Für die Standmengenerhöhung<br />
durch die Beschichtung <strong>de</strong>r Walzenoberfläche<br />
ist insbeson<strong>de</strong>re eine hohe Temperaturbeständigkeit<br />
und Schichthaftung ausschlaggebend. Die<br />
Schichten müssen zur Verschleißmin<strong>de</strong>rung einen<br />
ausreichen<strong>de</strong>n Wi<strong>de</strong>rstand gegen Abrasion zeigen<br />
und <strong>de</strong>nnoch aufgrund <strong>de</strong>r zyklischen Temperaturwechsel<br />
ausreichend Duktilität besitzen.<br />
Hierzu wer<strong>de</strong>n die Schichtdicken, <strong>de</strong>r Anteil<br />
an Dispersionspartikel und <strong>de</strong>ren Größe (siehe<br />
Bild 84) variiert.<br />
<strong>BFI</strong> is testing existing dispersion coatings as to<br />
their suitability for the conditions prevailing in hot<br />
rolling of sections and is <strong>de</strong>veloping the coating<br />
systems further. Regarding tool life extension<br />
through coating of the roll surface, the two most<br />
important factors are high temperature resistance<br />
and layer adhesion. To have a wear-reducing<br />
effect, the coatings must present sufficient resistance<br />
to abrasion and yet have sufficient ductility<br />
because of the cyclic temperature changes. The<br />
layer thicknesses, the proportion of dispersion<br />
particles and their size (see Fig. 84) are being<br />
varied with this in mind.<br />
Optimierung <strong>de</strong>r Beize durch zielgerichtete<br />
Anpassung <strong>de</strong>r Beizsäure<br />
Ein entschei<strong>de</strong>n<strong>de</strong>r Schritt für die Erzeugung<br />
qualitativ hochwertiger Bandoberflächen in Kaltwalzwerken<br />
ist das Beizen. Hierunter wird das<br />
chemische Entfernen von Oxidschichten (Zun<strong>de</strong>r)<br />
und an<strong>de</strong>ren Verunreinigungen mit Hilfe starker<br />
Mineralsäuren verstan<strong>de</strong>n.<br />
Nach <strong>de</strong>m <strong>de</strong>rzeitigen Stand <strong>de</strong>r Technik ergeben<br />
sich die Konzentrationen in <strong>de</strong>n einzelnen Becken<br />
einer Beizkaska<strong>de</strong> durch die Zufuhr von Frischsäure<br />
in das letzte Becken <strong>de</strong>r Kaska<strong>de</strong>, durch Reaktion<br />
<strong>de</strong>r Säure mit Zun<strong>de</strong>r und Grundmetall und durch<br />
Verschleppung von Säure mit <strong>de</strong>m zu entzun<strong>de</strong>rn<strong>de</strong>n<br />
Stahlband. Hierdurch entsteht ein hinsichtlich <strong>de</strong>r<br />
Reaktionsgeschwindigkeit nicht optimales Konzentrationsprofil<br />
in <strong>de</strong>n Becken <strong>de</strong>r Kaska<strong>de</strong>. Zunächst<br />
wur<strong>de</strong> in Laborversuchen die Abhängigkeit <strong>de</strong>r<br />
Beizgeschwindigkeit von Material, Zusammensetzung<br />
<strong>de</strong>r Beizlösung und Temperatur untersucht.<br />
Mit <strong>de</strong>n Daten wur<strong>de</strong> ein Mo<strong>de</strong>ll <strong>de</strong>s Beiz-Prozesses<br />
für Stahlbän<strong>de</strong>r erstellt, bei <strong>de</strong>m die Konzentration<br />
von HCl und Metall in <strong>de</strong>n Becken <strong>de</strong>r Beizkaska<strong>de</strong><br />
durch gezielte Dosierung von Säure in die einzelnen<br />
Becken berechnet wer<strong>de</strong>n kann. Das in Versuchen<br />
ermittelte optimale Verhältnis von Säure zu Metall<br />
kann zu<strong>de</strong>m durch Berücksichtigung von Regeneratoren<br />
eingestellt wer<strong>de</strong>n. Es zeigte sich jedoch, dass<br />
durch die gezielte Dosage auch Zustän<strong>de</strong> eingestellt<br />
wer<strong>de</strong>n können, die zum Kippen <strong>de</strong>s gesamten<br />
Beizsystems führen. Die Implementierung ist also<br />
nur möglich, wenn die gezielte Dosage durch eine<br />
genaue und zeitnahe Analyse <strong>de</strong>r Beizbadzusammensetzung<br />
unterstützt wird.<br />
Optimising pickling through targeted adjustment<br />
of the pickling acid<br />
One crucial step in producing high-quality strip<br />
surfaces in cold-rolling mills is pickling. This is<br />
a process for chemically removing oxi<strong>de</strong> layers<br />
(scale) and other impurities with the help of strong<br />
mineral acids.<br />
According to the current state of the art, the<br />
concentrations in the individual tanks of a pickling<br />
casca<strong>de</strong> result from the addition of fresh acid to<br />
the last tank in the casca<strong>de</strong>, the reaction of the<br />
acid with the scale and the base metal, and the<br />
entrainment of acid with the steel strip that is<br />
being <strong>de</strong>scaled. The ensuing concentration profile<br />
in the casca<strong>de</strong> tanks is not optimal in terms of<br />
reaction speed. First, laboratory experiments<br />
were performed to study the <strong>de</strong>pen<strong>de</strong>ncy of the<br />
pickling speed on the material, composition of<br />
the pickling solution and the temperature.<br />
The data were used to construct a mo<strong>de</strong>l of<br />
the pickling process for steel strip in which the<br />
concentration of HCl and metal in the tanks of<br />
the pickling casca<strong>de</strong> can be calculated through<br />
targeted dosing of acid to the individual tanks.<br />
The optimal ratio of acid to metal <strong>de</strong>termined in<br />
the tests can also be adjusted by including regenerators.<br />
However, targeted dosage can also lead<br />
to conditions which disrupt the entire pickling<br />
system. Implementation is therefore only possible<br />
when targeted dosage is supported by precise and<br />
timely analysis of the pickling bath composition.<br />
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97
Prozesstechnik | Oberflächentechnik und Stahlvere<strong>de</strong>lung<br />
Kunststoffkorrosion in Beizlinien<br />
Ein entschei<strong>de</strong>n<strong>de</strong>r Schritt für die Erzeugung<br />
qualitativ hochwertiger Blechoberflächen in Kaltwalzwerken<br />
ist das Beizen. Hierunter wird das<br />
chemische Entfernen von Oxidschichten (Zun<strong>de</strong>r)<br />
und an<strong>de</strong>ren Verunreinigungen mit Hilfe starker<br />
Mineralsäuren verstan<strong>de</strong>n. Beim Beizen von Kohlenstoffstählen<br />
sind dies meist HCl und H 2<br />
SO 4<br />
, beim<br />
Beizen von E<strong>de</strong>lstahl wird hauptsächlich Mischsäure<br />
auf Basis von HF und HNO 3<br />
eingesetzt.<br />
Anlagenkomponenten wie Beizbecken, Lagertanks,<br />
Rohrleitungen sowie Bestandteile <strong>de</strong>r Beizsäureregeneration<br />
bestehen wegen <strong>de</strong>r hohen Beständigkeit<br />
gegenüber <strong>de</strong>n Säuren aus Kunststoffen wie PP,<br />
PVDF o<strong>de</strong>r PES.<br />
In <strong>de</strong>n letzten Jahren sind die Beiztemperaturen<br />
in <strong>de</strong>n Betrieben zunehmend erhöht wor<strong>de</strong>n. Es<br />
zeigten sich dann häufig zuvor nicht beobachtete<br />
Scha<strong>de</strong>nsfälle von Kunststoffbauteilen, die sowohl<br />
auf einen Abbau <strong>de</strong>r Polymer-Kettenlänge als auch<br />
auf die Reaktion <strong>de</strong>r Säuren mit Additiven zurückgeführt<br />
wer<strong>de</strong>n können (Kunststoffkorrosion).<br />
Kunststoffkorrosion kann zu kritischen Situationen<br />
hinsichtlich Sicherheit <strong>de</strong>r Mitarbeiter, <strong>de</strong>r Umwelt<br />
und <strong>de</strong>r Wirtschaftlichkeit <strong>de</strong>r Beizbetriebe führen.<br />
Im Rahmen eines Projektes wur<strong>de</strong>n vom <strong>BFI</strong> Filtrationsmembranen<br />
aus Kunststoff (Mikrofiltration,<br />
Nanofiltration, Diffusionsdialyse, Elektrodialyse)<br />
sowie Ionenaustauscher vor und nach <strong>de</strong>r Beaufschlagung<br />
mit Beizsäuren charakterisiert. Zu <strong>de</strong>n<br />
eingesetzten Charakterisierungsverfahren zählen z.B.<br />
Filtrationsleistung, Trennleistung, Oberflächenspannung,<br />
Gewichtsverlust / Quellung sowie chemische<br />
Corrosion of plastics in pickling lines<br />
One crucial step in producing high-quality<br />
strip surfaces in cold-rolling mills is pickling.<br />
This is a process for chemically removing oxi<strong>de</strong><br />
layers (scale) and other impurities with the help<br />
of strong mineral acids. When pickling carbon<br />
steels, these are usually HCl and H 2<br />
SO 4<br />
, whereas<br />
mainly mixed acids based on HF and HNO 3<br />
are<br />
used for pickling stainless steel.<br />
Line components such as pickling tanks, storage<br />
tanks, piping systems and parts used in pickling<br />
acid regeneration are ma<strong>de</strong> of plastics such as<br />
PP, PVDF or PES because of their high resistance<br />
to acids.<br />
In recent years the pickling temperatures in<br />
the lines have been steadily increased. This has<br />
resulted in cases of damage to plastic parts that<br />
had not been observed before, partly due to<br />
the <strong>de</strong>gradation of polymer chain lengths and<br />
partly to the acids reacting with additives (plastic<br />
corrosion). Plastic corrosion can lead to critical<br />
situations regarding the safety of employees,<br />
the environment, and the cost-efficiency of the<br />
pickling facilities.<br />
Within the scope of a project <strong>BFI</strong> filtration<br />
membranes ma<strong>de</strong> of plastic (microfiltration,<br />
nanofiltration, diffusion dialysis, electrodialysis)<br />
and ion exchangers were characterised before<br />
and after being exposed to pickling acids. The<br />
characterisation methods used inclu<strong>de</strong>d filtration<br />
performance, separation performance, surface<br />
tension, weight loss / swelling, and chemical<br />
Bild / Figure 85<br />
Versuchsapparatur und Verweilzeitabhängigkeit <strong>de</strong>r Zun<strong>de</strong>rentfernung in einer Beizkaska<strong>de</strong> mit synthetischen Lösungen<br />
Test apparatus and dwell time <strong>de</strong>pen<strong>de</strong>ncy for <strong>de</strong>scaling in a pickling casca<strong>de</strong> with synthetic solutions<br />
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Process | Surface Technology and Finishing<br />
Zusammensetzung. Weiterhin soll <strong>de</strong>r Einfluss von<br />
gleichzeitigem chemischen und mechanischen Angriff<br />
auf die Werkstoffeigenschaften untersucht wer<strong>de</strong>n.<br />
Die Untersuchungen sollen Hinweise auf die langfristige<br />
Stabilität <strong>de</strong>r jeweiligen Kunststoffe und<br />
auf die Mechanismen für eine Schädigung geben.<br />
Ein gemeinsam mit <strong>de</strong>r Stahlaka<strong>de</strong>mie organisiertes<br />
internationales Seminar zur Kunststoffkorrosion<br />
in <strong>de</strong>r Stahlindustrie beschäftigte sich mit<br />
Scha<strong>de</strong>nsfällen sowie Maßnahmen zum sicheren<br />
und verlässlichen Einsatz von Kunststoffen.<br />
composition. Further to this, the effect of simultaneous<br />
chemical and mechanical attack on the<br />
material properties is to be investigated. The<br />
studies are expected to provi<strong>de</strong> information on<br />
the long-term stability of the respective plastics<br />
and the damage mechanisms.<br />
An international seminar organised jointly with<br />
the Steel Aca<strong>de</strong>my on plastic corrosion in the<br />
steel industry focused on damage cases and on<br />
measures for safe and reliable use of plastics.<br />
Further such events will follow.<br />
Elektropolieren in ionischen Flüssigkeiten und<br />
nichtwässrigen Elektrolyten<br />
Das Elektropolieren ist ein elektrolytisches Abtragsverfahren<br />
zur Oberflächenvere<strong>de</strong>lung von metallischen<br />
Werkstoffen. Für einige insbeson<strong>de</strong>re in <strong>de</strong>r<br />
Medizintechnik gebräuchliche rostfreie E<strong>de</strong>lstähle<br />
und metallische Son<strong>de</strong>rwerkstoffe stehen <strong>de</strong>rzeit<br />
noch keine industriell anwendbaren Elektropolierelektrolyte<br />
zur Verfügung. Schwierigkeiten bei <strong>de</strong>r<br />
Bearbeitung treten meist auf, wenn sich entwe<strong>de</strong>r<br />
auf <strong>de</strong>r gesamten Oberfläche o<strong>de</strong>r auf <strong>de</strong>r Oberfläche<br />
einzelner Gefügebestandteile eine passivieren<strong>de</strong><br />
Deckschicht ausbil<strong>de</strong>t, die unter <strong>de</strong>n Elektropolierbedingungen<br />
nicht aufgebrochen wer<strong>de</strong>n kann.<br />
Im Rahmen eines abgeschlossenen Forschungsprojektes<br />
wur<strong>de</strong> untersucht, ob ionische Flüssigkeiten<br />
(Ionic Liqui<strong>de</strong>s, abgekürzt IL) für das Elektropolieren<br />
von E<strong>de</strong>lstählen und medizinischen Son<strong>de</strong>rwerkstoffen<br />
geeignet sind und für die industrielle<br />
Electropolishing in ionic liquids and non-aqueous<br />
electrolytes<br />
Electropolishing is an electrolytic method of<br />
removing material for improving the surface<br />
finish of metallic materials. For some corrosionresistant<br />
high-gra<strong>de</strong> steels and special metallic<br />
materials, in particular those used in medical<br />
technology, there are no available electropolishing<br />
electrolytes for use on an industrial scale. The<br />
difficulties in processing usually occur when a<br />
passivating layer forms either on the entire surface<br />
or on the surface of individual constituents of the<br />
structure which cannot be broken down un<strong>de</strong>r<br />
the respective electropolishing conditions.<br />
In a now completed research project, studies<br />
were performed to investigate whether ionic<br />
liquids (IL) are suitable for electropolishing of<br />
high-gra<strong>de</strong> steels and special medical materials<br />
and would offer benefits in industrial use. IL are<br />
Bild / Figure 86<br />
Testanlagen zur Bestimmung <strong>de</strong>s chemischen Angriffs auf Diffusionsdialyse- (links) und Nanofiltrationsmembranen (rechts)<br />
Test systems for <strong>de</strong>termining the chemical attack on diffusion dialysis membranes (left) and nanofiltration membranes (right)<br />
© VDEh-Betriebsforschungsinstitut GmbH<br />
99
Prozesstechnik | Oberflächentechnik und Stahlvere<strong>de</strong>lung<br />
Anwendung Vorteile bieten. IL sind Salzschmelzen,<br />
die bereits bei Temperaturen unterhalb von 100 °C<br />
im flüssigen Aggregatzustand vorliegen.<br />
Mit Hilfe <strong>de</strong>r zyklischen Voltammetrie wur<strong>de</strong><br />
das Auflösungs- und Abscheidungsverhalten von<br />
Eisen, rostfreien E<strong>de</strong>lstählen, Cobalt, Cobalt-Chrom<br />
(2.4964), Niob, Tantal und Platin-Iridium 20 in unterschiedlichen<br />
ionischen Flüssigkeiten untersucht.<br />
Des Weiteren wur<strong>de</strong> <strong>de</strong>r Einfluss <strong>de</strong>r Temperatur,<br />
<strong>de</strong>s Wassergehalts und verschie<strong>de</strong>ner Zusätze ermittelt<br />
und Werkstoff-/Elektrolytkombinationen mit<br />
potenziellen Elektropoliereigenschaften selektiert.<br />
Das 1-Ethyl-3-methylimidazoliumacetat und das<br />
1-Ethyl-3-methylimidazoliumchlorid weisen Elektropoliereigenschaften<br />
für die rostfreien E<strong>de</strong>lstähle<br />
1.4301 und 1.4404 auf. Allerdings ist die Streufähigkeit<br />
relativ gering. Das 1-Ethyl-3-methylimidazoliumacetat<br />
mit 1 % Wasser und 5 % Säurezusatz eignet<br />
sich beson<strong>de</strong>rs für das Elektropolieren <strong>de</strong>r Cobalt-<br />
Chrom-Legierung. Niob, Tantal und Platin-Iridium<br />
können im 1-Ethyl-3-methylimidazoliumchlorid<br />
bei 95 °C unter Anwendung von Spannungspulsen<br />
elektrolytisch aufgelöst wer<strong>de</strong>n. Am Beispiel <strong>de</strong>r<br />
Elektropolitur von Cobalt-Chrom-Stentmustern und<br />
<strong>de</strong>s Entgratens von Platin-Iridium-Herzschrittmacheranschlüssen<br />
konnte die technische Eignung von<br />
ionischen Flüssigkeiten zur Oberflächenbearbeitung<br />
von medizintechnischen Produkten aufgezeigt<br />
wer<strong>de</strong>n. Bild 87 zeigt die REM-Aufnahmen von<br />
Abschnitten eines unbehan<strong>de</strong>lten und eines in<br />
einer IL elektropolierten Stentmusters aus Cobalt-<br />
Chrom (Werkstoffnummer 2.4964).<br />
molten salts which become liquid at temperatures<br />
of less than 100 °C.<br />
With the help of cyclic voltammetry, the dissolution<br />
and precipitation behaviour of iron, rustresistant<br />
high-gra<strong>de</strong> steels, cobalt, cobalt-chromium<br />
(2.4964), niobium, tantalum and platinum-iridium<br />
20 were investigated in different ionic liquids.<br />
Furthermore, the influence of the temperature,<br />
water content and various additives was <strong>de</strong>termined<br />
and material/electrolyte combinations with<br />
potential electropolishing properties were selected.<br />
1-ethyl-3-methylimidazoliumacetate and<br />
1-ethyl-3-methylimidazoliumchlori<strong>de</strong> exhibit<br />
electropolishing properties for the stainless steel<br />
gra<strong>de</strong>s 1.4301 and 1.4404. However, the scattering<br />
capability is relatively low. 1-ethyl-3-methylimidazoliumacetate<br />
with 1% water and 5% ad<strong>de</strong>d acid<br />
is suitable especially for electropolishing of the<br />
cobalt-chromium alloy. Niobium, tantalum and<br />
platinum-iridium can be dissolved electrolytically<br />
in 1-ethyl-3-methylimidazoliumchlori<strong>de</strong> at 95 °C<br />
when applying pulsed voltage. The technical suitability<br />
of ionic liquids for processing the surfaces<br />
of medical technology products was <strong>de</strong>monstrated<br />
in examples such as the electropolishing of cobaltchromium<br />
stent samples and the <strong>de</strong>burring of<br />
platinum-iridium pacemaker connections. Fig. 87<br />
shows the SEM scans of sections of an untreated<br />
stent sample ma<strong>de</strong> of cobalt-chromium (material<br />
no. 2.4964) and a sample electropolished in an IL.<br />
Bild / Figure 87<br />
REM-Aufnahmen von Abschnitten eines unbehan<strong>de</strong>lten (links) und eines in einer IL elektropolierten (rechts) Stentmusters aus Cobalt-Chrom<br />
SEM scans of sections of an untreated stent sample (left) ma<strong>de</strong> of cobalt-chromium and a sample (right) electropolished in an ionic liquid<br />
100 © VDEh-Betriebsforschungsinstitut GmbH
Process | Surface Technology and Finishing<br />
Einflüsse <strong>de</strong>r elektrolytischen Bandbeschichtung<br />
auf die Än<strong>de</strong>rung <strong>de</strong>r Oberflächentopographie<br />
Verzinkte Stahl-Flachprodukte in Kombination<br />
mit weiteren Schichten und Lacken bieten einen<br />
ausgezeichneten Korrosionsschutz für eine Vielzahl<br />
von Anwendungen. Elektrolytisch verzinkte<br />
Feinbleche zeichnen sich dabei beson<strong>de</strong>rs durch<br />
ihr optisches Erscheinungsbild aus und wer<strong>de</strong>n<br />
daher z.B. für Außenhautteile von Automobilen<br />
eingesetzt. Verarbeitungseigenschaften wie die<br />
Umformbarkeit und Lackierbarkeit wer<strong>de</strong>n durch<br />
die Rauheit verzinkter Bleche maßgeblich mitbestimmt.<br />
Aus diesem Grund ist es wichtig, die von<br />
<strong>de</strong>r Automobilindustrie vorgegebenen Rauheitskennwerte<br />
in engen Grenzen einzuhalten.<br />
Durch die elektrolytische Verzinkung wird die<br />
Ausgangsrauheit <strong>de</strong>s dressierten Ban<strong>de</strong>s z.T. erheblich<br />
verän<strong>de</strong>rt. Da die Einflussgrößen nicht alle<br />
erfasst wer<strong>de</strong>n und komplex zusammenwirken,<br />
ist es <strong>de</strong>rzeit schwierig, die Rauheit <strong>de</strong>s verzinkten<br />
Produkts in <strong>de</strong>n engen Grenzen einzustellen. Im<br />
Rahmen eines laufen<strong>de</strong>n Projektes wer<strong>de</strong>n die<br />
Einflüsse <strong>de</strong>r Ausgangstopographie, <strong>de</strong>r Elektrolytzusammensetzung<br />
und <strong>de</strong>r Prozessparameter auf die<br />
Än<strong>de</strong>rung <strong>de</strong>r Topographie untersucht und mo<strong>de</strong>lliert.<br />
Durch ein Presetting <strong>de</strong>s Verzinkungsprozesses<br />
soll die Produktion von verzinktem Feinblech mit<br />
<strong>de</strong>finierter Rauheit sichergestellt wer<strong>de</strong>n. Neben<br />
<strong>de</strong>r Ausgangsrauheit wird die Rauheitsän<strong>de</strong>rung<br />
auch durch die Art <strong>de</strong>r Topographie (z.B. spitzeno<strong>de</strong>r<br />
talorientiert) beeinflusst.<br />
Bild 88 zeigt die Topographie bandverzinkter<br />
Proben mit <strong>de</strong>n gängigen Ausgangstopographien,<br />
PRETEX®, EDT und EBT. Zunächst wur<strong>de</strong> ein<br />
einfaches Mo<strong>de</strong>ll entwickelt, mit <strong>de</strong>m sich die geometrische<br />
Einebnung bei einem homoge Aufwachsen<br />
<strong>de</strong>r Schicht durch das Füllen <strong>de</strong>r Täler beschreiben<br />
lässt. Bild 89 und Bild 90 stellen die gemessenen<br />
und die simulierten Rauheitskennwerte Sa von<br />
Proben, die aus zwei Anlagen über die Bandbreite<br />
genommen wur<strong>de</strong>n, gegenüber.<br />
Die Rauheitsän<strong>de</strong>rung auf <strong>de</strong>r PRETEX®-<br />
Ausgangsoberfläche (Bild 89) lässt sich gut durch das<br />
Mo<strong>de</strong>ll einer geometrischen Einebnung beschreiben.<br />
Im Fall <strong>de</strong>r EDT-Ausgangstopographie (Bild 90)<br />
müssen weitere Prozesseinflüsse, die zu einem<br />
Aufrauhen <strong>de</strong>r Oberfläche führen, berücksichtigt<br />
wer<strong>de</strong>n. Diese Einflussgrößen wer<strong>de</strong>n im weiteren<br />
Projektverlauf eingehend untersucht.<br />
© VDEh-Betriebsforschungsinstitut GmbH<br />
Influences of the electrolytic coil coating process<br />
on surface topography alterations<br />
Galvanising of flat steel products in combination<br />
with further coatings and paints offers excellent<br />
corrosion protection for a wi<strong>de</strong> variety of applications.<br />
Electrolytically galvanised sheet materials<br />
have an especially attractive visual appearance and<br />
are therefore often used for the outer skin of car<br />
bodies, for example. The processing properties such<br />
as formability and paintability are <strong>de</strong>termined to<br />
a large extent by the roughness of the galvanised<br />
sheet stock. Compliance with the close tolerances<br />
imposed by automotive industry specifications<br />
for roughness is therefore extremely important.<br />
Electrolytic galvanising can change the initial<br />
roughness of the temper rolled strip, in some<br />
cases substantially. Since the influencing variables<br />
are not all recor<strong>de</strong>d and interact in complex<br />
ways, it is currently difficult to adjust the roughness<br />
of the galvanised product within these close<br />
tolerances. In an ongoing project entitled “Influences<br />
of the electro galvanizing process on the<br />
surface topography alterations”, the influences<br />
exerted by the starting topography, the electrolyte<br />
composition and the process parameters<br />
on alterations in surface topography are being<br />
studied and mo<strong>de</strong>lled. The intention is to assure<br />
the production of galvanised sheet with a <strong>de</strong>fined<br />
roughness by presetting the galvanising process.<br />
In addition to the initial roughness, the type of<br />
topography (e.g. peak or valley-oriented) also<br />
influences the roughness alterations.<br />
Fig. 88 shows the topography of samples of galvanised<br />
strip with the common starting topographies,<br />
PRETEX®, EDT and EBT. Initially, a simple mo<strong>de</strong>l<br />
was <strong>de</strong>veloped with which the geometric levelling<br />
of the surface can be <strong>de</strong>scribed through a<br />
homogeneous build-up of the layer by filling the<br />
valleys. Fig. 88 and Fig. 90 compare the measured<br />
and simulated roughness values Sa of samples<br />
taken across the strip width from two different<br />
production lines.<br />
The alteration in roughness in the PRETEX®<br />
starting surface (Fig. 89) can be well <strong>de</strong>scribed<br />
with the geometric flattening mo<strong>de</strong>l. In the case<br />
of the EDT starting topography (Fig. 90), further<br />
process influences leading to roughening of the<br />
surface must be consi<strong>de</strong>red. These variables will<br />
be investigated closely in the future stages of<br />
the project.<br />
101
Prozesstechnik | Oberflächentechnik und Stahlvere<strong>de</strong>lung<br />
Bild / Figure 88<br />
Dreidimensional abgetastete Topographien von elektrolytisch bandverzinkten Proben<br />
Three-dimensionally scanned topographies of samples of electrolytically galvanised strip<br />
Bild / Figure 89<br />
Vergleich <strong>de</strong>r gemessenen und simulierten drei-dimensionalen arithmetischen Mittenrauwerte Sa (PRETEX®, Bandoberseite)<br />
Comparison of measured and simulated three-dimensional arithmetic average peak-to-valley height Sa (PRETEX®, strip upper si<strong>de</strong>)<br />
Bild / Figure 90<br />
Vergleich <strong>de</strong>r gemessenen und simulierten drei-dimensionalen arithmetischen Mittenrauwerte Sa (EDT, Bandoberseite)<br />
Comparison of measured and simulated three-dimensional arithmetic average peak-to-valley height Sa (EDT, strip upper si<strong>de</strong>)<br />
102 © VDEh-Betriebsforschungsinstitut GmbH
Process | Surface Technology and Finishing<br />
Optimierung von Rollenlagerungen für<br />
Stranggießanlagen<br />
Im Rahmen eines geför<strong>de</strong>rten Verbundprojektes<br />
wur<strong>de</strong> am Beispiel von Rollenlagerungen für Stranggießanlagen<br />
für hoch beanspruchte fettgeschmierte<br />
Lagerungen bei ungünstigen Umgebungsbedingungen<br />
ein Lagerungs-, Dichtungs- sowie Schmierungskonzept<br />
entwickelt, mit <strong>de</strong>m neben einer<br />
<strong>de</strong>utlichen Standzeitverlängerung eine wesentliche<br />
Senkung <strong>de</strong>s Schmierfettbedarfs erreicht wer<strong>de</strong>n<br />
kann.<br />
Neben hohen Lasten <strong>de</strong>r Rollenlagerungen<br />
musste insbeson<strong>de</strong>re die starke Beaufschlagung mit<br />
Prozesswasser und Schmutzpartikeln berücksichtigt<br />
wer<strong>de</strong>n. Zur Abdichtung wer<strong>de</strong>n diese Lager stark<br />
überfettet. Neben einer Erhöhung <strong>de</strong>r Standzeit war<br />
eine <strong>de</strong>utliche Reduzierung <strong>de</strong>s Fettverbrauches,<br />
im I<strong>de</strong>alfall durch eine Lebensdauerschmierung<br />
wesentliches Projektziel.<br />
Grundlage für die Entwicklung <strong>de</strong>s optimierten<br />
Konzeptes war eine <strong>de</strong>taillierte Beanspruchungsanalyse.<br />
Hierzu wur<strong>de</strong>n an Lagerstellen eines Rollensegmentes<br />
im hoch beanspruchten Gießbogen<br />
innerhalb <strong>de</strong>r Kühlkammer <strong>de</strong>r Stranggießanlage<br />
über einen Zeitraum von ca. einem Jahr Lagerkräfte<br />
und –temperaturen ermittelt sowie zyklische Bewertungen<br />
<strong>de</strong>r Lagerkomponenten und Fettanalysen<br />
vorgenommen. Auf dieser Grundlage wur<strong>de</strong>n für<br />
unterschiedliche Schmierungskonzepte Mo<strong>de</strong>llfette<br />
entwickelt sowie umfangreiche tribologische<br />
Mo<strong>de</strong>ll- und Bauteilprüfungen durchgeführt.<br />
Basierend auf <strong>de</strong>n Versuchsergebnissen und Simulationsrechnungen<br />
wur<strong>de</strong>n die Anfor<strong>de</strong>rungen an<br />
das Lager- / Dichtungskonzept ermittelt sowie die<br />
Auswahl geeigneter Schmierfette vorgenommen.<br />
Im Ergebnis <strong>de</strong>r Untersuchungen wur<strong>de</strong> ein<br />
Schmierfett entwickelt, das eine hohe Lasttragfähigkeit,<br />
einen guten Verschleiß- und Korrosionsschutz<br />
sowie eine sehr gute Wasserverträglichkeit<br />
aufweist. Für die angestrebte Lebensdauerschmierung<br />
wur<strong>de</strong> ein unter <strong>de</strong>n vorliegen<strong>de</strong>n baulichen<br />
Bedingungen einsetzbares optimiertes Lagerungsund<br />
Dichtungskonzept realisiert.<br />
In einem abschließen<strong>de</strong>n Betriebsversuch in <strong>de</strong>r<br />
Stranggießanlage wur<strong>de</strong> mit <strong>de</strong>r Lebensdauerschmierung<br />
ein im Vergleich zur heute eingesetzten<br />
Überfettung <strong>de</strong>utlich besseres Verschleißverhalten<br />
ermittelt. Neben einer beachtlichen Schmierstoffvermin<strong>de</strong>rung<br />
ist damit eine <strong>de</strong>utliche Standzeitverlängerung<br />
möglich.<br />
© VDEh-Betriebsforschungsinstitut GmbH<br />
Optimisation of roller bearings for continuous<br />
casting plants<br />
In a collaborative project fun<strong>de</strong>d by the German<br />
Fe<strong>de</strong>ral Ministry of Education and Research (BMBF),<br />
a bearing, sealing and lubrication concept was<br />
<strong>de</strong>veloped for highly stressed grease-lubricated<br />
bearing points in harsh environments. This was<br />
done using roller bearings for continuous casting<br />
plants as an example. The <strong>de</strong>veloped concept can<br />
consi<strong>de</strong>rably lengthen the life of the bearings<br />
while significantly reducing the lubricant <strong>de</strong>mand.<br />
In addition to the high loads the roller bearings<br />
have to withstand, they are also heavily exposed<br />
to process water and dirt particles. These bearings<br />
are usually well over-greased to seal them.<br />
Besi<strong>de</strong>s lengthening the life of the bearings, a<br />
major aim of the project also to significantly reduce<br />
the lubricant consumption, i<strong>de</strong>ally by achieving<br />
lubrication for life.<br />
The starting point for <strong>de</strong>veloping the optimised<br />
concept was a <strong>de</strong>tailed load and stress analysis.<br />
Over a period of approximately one year, the<br />
forces and temperatures were recor<strong>de</strong>d at the<br />
bearing points of a roller segment in the highly<br />
stressed casting bow within the cooling chamber<br />
of the continuous caster. The bearing components<br />
were assessed and the grease analysed at cyclical<br />
intervals. Based on the information gained, mo<strong>de</strong>l<br />
greases were <strong>de</strong>veloped for different lubrication<br />
concepts, and extensive tribological tests were<br />
conducted on mo<strong>de</strong>ls and components.<br />
The test results and numerical simulations<br />
were used to <strong>de</strong>termine the requirements for<br />
the bearing/sealing concept and to select suitable<br />
greases.<br />
The outcome of the investigations was the<br />
<strong>de</strong>velopment of a grease lubricant that has high<br />
load-bearing capability, good wear and corrosion<br />
protection characteristics, and is highly compatible<br />
with water. An optimised bearing and sealing<br />
concept was <strong>de</strong>signed for the envisaged lubrication<br />
for life un<strong>de</strong>r the existing structural conditions.<br />
In a final operating test in the continuous caster,<br />
the “lubed for life” bearings showed significantly<br />
improved tribological performance compared<br />
with the current overgreasing practice. Besi<strong>de</strong>s<br />
reducing lubricant consumption by a consi<strong>de</strong>rable<br />
amount, this will also significantly lengthen the<br />
life of the bearings.<br />
103
Prozesstechnik | Oberflächentechnik und Stahlvere<strong>de</strong>lung<br />
Das Projekt wur<strong>de</strong> in enger interdisziplinärer<br />
Zusammenarbeit von Lager-, Dichtungs- und<br />
Schmierstoffhersteller, Anlagenbetreiber und<br />
Forschungsinstituten durchgeführt.<br />
Aufgaben <strong>de</strong>s <strong>BFI</strong> waren neben <strong>de</strong>r Projektkoordination<br />
die Durchführung von tribologischen<br />
Mo<strong>de</strong>ll- und Bauteilprüfungen sowie tribologische<br />
Scha<strong>de</strong>nsanalysen. Zum Test <strong>de</strong>r Lager unter <strong>de</strong>finierten<br />
praxisnahen Bedingungen wur<strong>de</strong> am <strong>BFI</strong><br />
ein Bauteilprüfstand aufgebaut <strong>de</strong>r <strong>de</strong>n Einsatz<br />
von Originallagern erlaubt und für weitere Untersuchungen<br />
zur Verfügung steht.<br />
The project was conducted with close interdisciplinary<br />
co-operation between bearing, sealant<br />
and lubricant manufacturers, equipment users,<br />
and research institutes.<br />
Besi<strong>de</strong>s coordinating the project, <strong>BFI</strong> was also<br />
responsible for conducting the tribological mo<strong>de</strong>l<br />
and component tests and the tribological damage<br />
analyses. To test the bearings un<strong>de</strong>r <strong>de</strong>fined,<br />
near-real conditions, a component test rig was<br />
built at <strong>BFI</strong> with which original bearings could<br />
be tested and which will remain available for<br />
further studies.<br />
104 © VDEh-Betriebsforschungsinstitut GmbH
Measurement and Automation | Measuring and Testing<br />
Entwicklung eines universellen Brenngas Messgerätes<br />
zur kontinuierlichen Bestimmung von<br />
verbrennungstechnischen Gaseigenschaften<br />
In <strong>de</strong>r Eisen- und Stahlindustrie wer<strong>de</strong>n<br />
Forschungsarbeiten zur Senkung <strong>de</strong>s Primärenergieeinsatzes<br />
und zur Ressourcenschonung erfolgreich<br />
durchgeführt. So ist beispielsweise die effiziente<br />
Nutzung verschie<strong>de</strong>ner Prozessgasgruppen wie<br />
z. B. Gicht-, Konverter- und Koksofengas ein wichtiges<br />
Thema.<br />
Durch <strong>de</strong>n gezielten Einsatz dieser Prozessgase<br />
wird <strong>de</strong>r Erdgaseinsatz zum Teil <strong>de</strong>utlich reduziert<br />
o<strong>de</strong>r sogar teilweise vollständig substituiert. Nachteil<br />
<strong>de</strong>r Prozessgasnutzung ist, dass diese Brenngase<br />
starken Qualitätsschwankungen unterliegen. Heizwert<br />
und Min<strong>de</strong>stluftbedarf können um bis zu 20 %<br />
variieren. Um eine effiziente Nutzung <strong>de</strong>r Brenngase<br />
und eine homogene Verbrennungsatmosphäre<br />
sicherzustellen, ist die genaue und vor allem kontinuierliche<br />
Kenntnis <strong>de</strong>r Gaseigenschaften erfor<strong>de</strong>rlich.<br />
Herkömmliche Messverfahren zeigen jedoch<br />
eine relative hohe Messungenauigkeit auf, wenn<br />
das zu messen<strong>de</strong> Brenngas vom Auslegungspunkt<br />
<strong>de</strong>s Messverfahren abweicht. Eine kontinuierliche<br />
Gasanalyse zur Bestimmung <strong>de</strong>r Gaseigenschaften<br />
ist somit sehr aufwändig und teuer.<br />
Development of a universal fuel gas measuring<br />
instrument for continuous <strong>de</strong>termination of gas<br />
combustion characteristics<br />
Across the iron and steel industry, research work<br />
is successfully being carried out to reduce the<br />
primary energy input and to conserve resources.<br />
The efficient use of various categories of process<br />
gases, such as top-, converter- and coke-oven gas,<br />
is an important topic.<br />
The systematic utilisation of these process gases<br />
can significantly reduce the amount of natural<br />
gas required or in some cases even completely<br />
substitute it. The disadvantage of using process<br />
gases, however, is that the quality of these combustion<br />
gases may fluctuate greatly. The calorific<br />
value and the minimum air <strong>de</strong>mand can vary by<br />
up to 20 %. In or<strong>de</strong>r to utilize these fuel gases<br />
efficiently and ensure a homogeneous combustion<br />
atmosphere, it is essential to know the exact<br />
characteristics of the gas and, especially, to have<br />
such data monitored continuously. Conventional<br />
measuring methods, however, begin to become<br />
relatively inaccurate when the combustion gas<br />
being measured <strong>de</strong>viates from the <strong>de</strong>sign point<br />
of the measuring equipment. Continuous gas<br />
analysis to <strong>de</strong>termine the gas characteristics is<br />
therefore very complex and hence expensive.<br />
Bild / Figure 91<br />
Demonstrator <strong>de</strong>s universellen Brenngasmessgerätes bei <strong>de</strong>r betriebsnahen Erprobung an <strong>de</strong>r Brennerversuchsanlage<br />
Demonstrator of the universal fuel-gas measuring instrument during the operational testing at the burner testing facility<br />
© VDEh-Betriebsforschungsinstitut GmbH<br />
105
Mess- und Automatisierungstechnik | Mess- und Prüftechnik<br />
Das <strong>BFI</strong> hat in Zusammenarbeit mit Messgeräteherstellern<br />
und Anlagenbetreibern in einem<br />
gemeinsamen Forschungsvorhaben ein Messgerät<br />
entwickelt, das die relevanten verbrennungstechnischen<br />
Eigenschaften – Heizwert, Min<strong>de</strong>stluftbedarf,<br />
Dichte und Wobbezahl – kontinuierlich<br />
misst und als Regelgrößen zur Verfügung stellt.<br />
Durch eine integrierte Gasanlayse wird die Prozessgasgruppe<br />
bestimmt. Durch diese Information<br />
erfolgt eine dynamische Anpassung <strong>de</strong>r entwickelten<br />
und im System integrierten Berechnungsalgorithmen.<br />
Dadurch wur<strong>de</strong> eine gleichbleiben<strong>de</strong><br />
Messgenauigkeit über sämtliche Prozessgase <strong>de</strong>r<br />
Eisen- und Stahlindustrie, sowie für Erdgas und<br />
<strong>de</strong>ren mögliche Gasgemische erzielt. Im Verlauf<br />
<strong>de</strong>r Entwicklungsarbeiten wur<strong>de</strong> ein Demonstrator<br />
gebaut und erfolgreich betrieblich erprobt (siehe<br />
Bild 91). Mit einer relativen Messabweichung von<br />
durchschnittlich < 2 % wird das neue Messgerät<br />
zur Zeit an einer großtechnischen Feuerungsanlage<br />
zur Brennerregelung eingesetzt.<br />
In collaboration with measuring instrument<br />
manufacturers and plant users as partners in<br />
a joint project, <strong>BFI</strong> has <strong>de</strong>veloped a measuring<br />
instrument capable of continuously measuring<br />
the relevant fuel characteristics – calorific value,<br />
minimum air requirement, <strong>de</strong>nsity and Wobbe<br />
in<strong>de</strong>x – and providing these as control variables.<br />
The process gas category is <strong>de</strong>termined<br />
by integrated gas analysis. This information is<br />
used for dynamic adaptation of the computing<br />
algorithms that were <strong>de</strong>veloped and integrated in<br />
the system. It has thus been possible to achieve<br />
uniform measuring accuracy across all process<br />
gases in the iron and steel industry, as well as for<br />
natural gas and any mixtures of these gases. In the<br />
course of the <strong>de</strong>velopment work, a <strong>de</strong>monstrator<br />
was built and has been successfully tested in an<br />
industrial environment (see Fig. 91). Having an<br />
average relative measurement error of < 2 %, the<br />
new measuring instrument is currently being used<br />
for burner control in an industrial firing system.<br />
Entwicklung eines neuen Verfahrens zur verbesserten<br />
Schlackenführung bei sekundärmetallurgischen<br />
Prozessen mittels Impedanzspektrometrie<br />
Im Rahmen <strong>de</strong>s Forschungsvorhabens wur<strong>de</strong><br />
eine neuartige konzentrische Graphit-Tauchson<strong>de</strong><br />
zur impedanzspektrometrischen Bestimmung <strong>de</strong>s<br />
Development of a new method for improved<br />
slag control in secondary metallurgical processes<br />
by means of impedance spectroscopy<br />
Within the scope of the research project a new<br />
type of concentric graphite immersion probe<br />
was <strong>de</strong>veloped for <strong>de</strong>termining the slag state of<br />
Bild / Figure 92<br />
Schlacken-Impedanzmessung in <strong>de</strong>r Transportpfanne<br />
Impedance measurement of slag in a transport ladle<br />
106 © VDEh-Betriebsforschungsinstitut GmbH
Measurement and Automation | Measuring and Testing<br />
Schlackezustands bei schmelzflüssigen sekundärmetallurgischen<br />
Schlacken entwickelt. Damit wird<br />
eine verbesserte Schlackenführung bei sekundärmetallurgischen<br />
Prozessen erzielt.<br />
Die konzentrische Graphit-Tauchson<strong>de</strong> wur<strong>de</strong><br />
anhand von Impedanzmessungen an betrieblichen<br />
Schlacken im Labormaßstab, sowie im Schmelzbetrieb<br />
erfolgreich erprobt. Es wur<strong>de</strong> nachgewiesen,<br />
dass sich die Tauchson<strong>de</strong> gut zur Bestimmung <strong>de</strong>s<br />
CaO-Massenanteils schmelzflüssiger Schlacken<br />
<strong>de</strong>s Systems SiO 2<br />
-CaO-Al 2<br />
O 3<br />
eignet. Die impedanzspektrometrische<br />
Bestimmung <strong>de</strong>s Schlackezustands<br />
ist bis zu CaO-Massengehalten von > 55 %<br />
anwendbar, und beinhaltet damit auch <strong>de</strong>n Bereich<br />
typischer sekundärmetallurgischer Pfannenschlacken<br />
mit hohem CaO-Massenanteil, wo ungelöste<br />
Kalk Ausscheidungen auftreten. Weiterhin wur<strong>de</strong><br />
gezeigt, dass auch das Verhältnis Al 2<br />
O 3<br />
zu SiO 2<br />
einen<br />
geringen Einfluss auf <strong>de</strong>n berechneten spezifischen<br />
Wi<strong>de</strong>rstand <strong>de</strong>r Schlacke hat. Zur Bestimmung<br />
<strong>de</strong>s Massenanteils von CaO aus <strong>de</strong>m berechneten<br />
spezifischen Wi<strong>de</strong>rstand <strong>de</strong>r schmelzflüssigen<br />
Schlacke wur<strong>de</strong> eine empirische Berechnungsgleichung<br />
bestimmt, welche im Betriebsversuch<br />
bestätigt wur<strong>de</strong>.<br />
Es zeigte sich, dass bei <strong>de</strong>r Messung <strong>de</strong>s Impedanzspektrums<br />
auf niedrige Frequenzen von kleiner<br />
als 20 Hz verzichtet wer<strong>de</strong>n kann. So sind bei <strong>de</strong>r<br />
betrieblichen Anwendung Messzeiten von etwa<br />
3 s erzielbar.<br />
molten secondary metallurgy slags by impedance<br />
spectroscopy. This makes it possible to improve the<br />
slag control in secondary metallurgical processes.<br />
The concentric graphite immersion probe was<br />
successfully tested by conducting impedance measurements<br />
at the lab scale on slag from industrial<br />
sources and in actual smelting operations. It was<br />
<strong>de</strong>monstrated that the probe is well suited for<br />
<strong>de</strong>termining the CaO mass percentage of molten<br />
slags with a SiO 2<br />
-CaO-Al 2<br />
O 3<br />
system. Determination<br />
of the slag condition by impedance spectroscopy<br />
is possible up to CaO mass percentages of > 55 %,<br />
thus covering the typical secondary metallurgical<br />
ladle slag with a high CaO content with undissolved<br />
lime precipitations. Furthermore, it was<br />
shown that the ratio of Al 2<br />
O 3<br />
to SiO 2<br />
(A/S) also has<br />
a minor effect on the calculated specific resistance<br />
of the slag. To <strong>de</strong>termine the mass percentage<br />
of CaO from the calculated specific resistance of<br />
the molten slag an equation for the calculation<br />
was empirically established and its validity then<br />
confirmed in mill operating conditions.<br />
It was found that it was not necessary to inclu<strong>de</strong><br />
low frequencies of less than 20 Hz when measuring<br />
the impedance spectrum. As a result, measuring<br />
times of about 3 s can be achieved in industrial<br />
practice.<br />
Online Schwingungsanalyse zur Überwachung <strong>de</strong>s<br />
Schlackeschäumens im Konverter<br />
Die Erhöhung <strong>de</strong>r Produktivität und das Sicherstellen<br />
<strong>de</strong>r Qualität hinsichtlich <strong>de</strong>r angestrebten<br />
Zielanalyse sind beim Konverterprozess von beson<strong>de</strong>rer<br />
Be<strong>de</strong>utung. Wichtig ist hierzu die Überwachung<br />
und Regelung <strong>de</strong>r Schaumschlacke während<br />
<strong>de</strong>s Frischens. Auswurf muss jedoch vermie<strong>de</strong>n<br />
wer<strong>de</strong>n. Eine Verän<strong>de</strong>rung <strong>de</strong>r Schichtdicke <strong>de</strong>r<br />
Schaumschlacke führt zu einem geän<strong>de</strong>rten<br />
Schwingungsverhalten <strong>de</strong>s Konverters und gestattet<br />
daher eine erweiterte Prozesskontrolle.<br />
Die Schwingungen <strong>de</strong>r Blaslanze wer<strong>de</strong>n mit<br />
einem Beschleunigungssensor erfasst. Mit einer<br />
Bandpass-Filterung wer<strong>de</strong>n verschie<strong>de</strong>ne Frequenzen<br />
<strong>de</strong>s Schwingungsspektrums selektiert. Einem<br />
Auswurf-Ereignis geht stets ein starker Anstieg<br />
eines charakteristischen Schwingungssignals voraus.<br />
Tritt kein Auswurf auf, sind auch die charakteristi-<br />
Online vibration analysis for monitoring slag<br />
foaming in the converter<br />
In the converter process, attempts to increase<br />
productivity and assure quality in terms of the<br />
target chemical composition are of special significance.<br />
One important aspect in this respect is<br />
monitoring and control of the foaming slag during<br />
refining, while avoiding any slopping. A change in<br />
the height of the foaming slag layer will change<br />
the oscillation behaviour of the converter and thus<br />
allows expanding the scope of process monitoring.<br />
Vibrations of the blowing lance are measured<br />
by an acceleration sensor. A bandpass filter is<br />
used to select various frequencies of the oscillation<br />
spectrum. Slopping is always prece<strong>de</strong>d by a<br />
steep rise in a characteristic oscillation signal. If<br />
there is no slopping, the characteristic oscillations<br />
have a correspondingly low amplitu<strong>de</strong>. Even the<br />
© VDEh-Betriebsforschungsinstitut GmbH<br />
107
Mess- und Automatisierungstechnik | Mess- und Prüftechnik<br />
schen Schwingungen gering. Selbst das Chargieren<br />
von Zusatzstoffen hat keinen Einfluss auf diese<br />
Frequenzen.<br />
Die Schwingungsdaten können online erfasst und<br />
analysiert wer<strong>de</strong>n. Da <strong>de</strong>r Auswurf mit zeitlicher<br />
charging of additives has no influence on these<br />
frequencies.<br />
The oscillation data can be acquired and analysed<br />
online. Since slopping occurs with a time <strong>de</strong>lay<br />
Bild / Figure 93<br />
Schwingungsmessung am kalten En<strong>de</strong> <strong>de</strong>r Sauerstofflanze<br />
Vibration measurement at the cold end of the oxygen blowing lance<br />
Bild / Figure 94<br />
Auswurf-Früherkennung durch Analyse <strong>de</strong>r Vibrationsamplitu<strong>de</strong> <strong>de</strong>r Sauerstofflanze<br />
Early <strong>de</strong>tection of slopping by analysing the vibration amplitu<strong>de</strong> of the oxygen blowing lance<br />
108 © VDEh-Betriebsforschungsinstitut GmbH
Measurement and Automation | Measuring and Testing<br />
Verzögerung auf das Abklingen <strong>de</strong>r charakteristischen<br />
Schwingungen auftritt, kann Auswurf<br />
frühzeitig vorhergesagt wer<strong>de</strong>n. Diese Information<br />
kann als Parameter bei <strong>de</strong>r Prozesssteuerung<br />
verwen<strong>de</strong>t wer<strong>de</strong>n, um drohen<strong>de</strong>m Auswurf z.B.<br />
durch Anpassung <strong>de</strong>r Lanzenstellung entgegenzuwirken.<br />
Auswurf kann so reduziert und die Schaumschlackensteuerung<br />
wesentlich verbessert wer<strong>de</strong>n.<br />
after the characteristic oscillations have died down,<br />
it is possible to predict slopping at an early stage.<br />
This information can be used as a parameter in<br />
process control in or<strong>de</strong>r to counteract incipient<br />
slopping by changing the lance height. It is thus<br />
possible to reduce the number of slopping events<br />
and to achieve substantially better control of<br />
slag foaming.<br />
Steigerung <strong>de</strong>r Energieeffizienz bei <strong>de</strong>r Herstellung<br />
von Gießschmelzen für Stahlgussteile<br />
Zur weiteren Steigerung <strong>de</strong>r Energieeffizienz<br />
bei <strong>de</strong>r Herstellung von Gießschmelzen für<br />
Stahlgussteile wird eine kontinuierliche Temperaturüberwachung<br />
und –regelung während <strong>de</strong>s<br />
Schmelzprozesses benötigt. Hierdurch kann die<br />
notwendige Schmelzentemperatur und Abstichtemperatur<br />
sicher erreicht wer<strong>de</strong>n, so dass die im<br />
Nachgang häufig aufwändigen Temperaturanpassungen<br />
entfallen.<br />
Das neuartige emissionsgradunabhängige faseroptische<br />
Temperaturmessverfahren DynTemp®<br />
<strong>de</strong>s <strong>BFI</strong> hat bereits seine Praxistauglichkeit bei<br />
Handlanzenmessungen in Gießbetrieben bewiesen.<br />
Die Ergebnisse sind gleichwertig mit <strong>de</strong>r konventionellen<br />
Eintauch-Thermoelementmessung.<br />
Darüber hinaus besteht schon jetzt <strong>de</strong>r Vorteil<br />
einer Unempfindlichkeit gegenüber elektromagnetischen<br />
Fel<strong>de</strong>rn. Das Messprinzip bietet das Poten-<br />
Improving energy efficiency in the production<br />
of casting melts for steel castings<br />
To achieve further improvements in energy efficiency<br />
in the production of casting melts for steel<br />
castings, continuous temperature monitoring and<br />
control are required during the smelting process.<br />
This will enable the necessary melt temperature<br />
(tapping temperature) to be reliably achieved so<br />
that subsequent, and often costly, temperature<br />
adjustments are no longer nee<strong>de</strong>d.<br />
The novel fibre-optical temperature measuring<br />
technique DynTemp® from <strong>BFI</strong>, which is in<strong>de</strong>pen<strong>de</strong>nt<br />
of the emission characteristic of the<br />
melt surface, has already proven its fitness for<br />
industrial use in measurements with manual<br />
lances in foundry operations. The results are as<br />
good as those obtained with conventional immersion<br />
thermocouples. In addition, the technique<br />
already has the advantage of being insensitive<br />
Bild / Figure 95<br />
Handlanzenbasierte hochdynamische Schmelzentemperaturmessung mit langzeitstabiler Son<strong>de</strong>.<br />
Highly dynamic melt temperature measurement using manual lances with a durable probe<br />
© VDEh-Betriebsforschungsinstitut GmbH<br />
109
Mess- und Automatisierungstechnik | Mess- und Prüftechnik<br />
tial zu einer kontinuierlichen hochdynamischen<br />
online Schmelzentemperaturmessung. Neben <strong>de</strong>r<br />
Verlängerung <strong>de</strong>r Temperaturmesszeit ergibt sich so<br />
<strong>de</strong>r Vorteil eines mehrfachen Einsatzes <strong>de</strong>r Son<strong>de</strong>n<br />
in <strong>de</strong>r Schmelze.<br />
Das Potential zu einer kontinuierlichen Langzeitmessung<br />
wird durch die Entwicklung einer Son<strong>de</strong><br />
mit stark isolieren<strong>de</strong>n Schutzschichten gehoben<br />
(Bild 95). Dabei eröffnet die Entwicklung einer<br />
dauerhaft eintauchen<strong>de</strong>n Son<strong>de</strong> nun erstmals die<br />
Möglichkeit, direkte schmelzmetallurgische Vorteile<br />
durch die Temperaturmesstechnik zu erzielen: Das<br />
für das Messverfahren benötigte Inertgas kann zu<br />
einer Schutzgasschicht auf <strong>de</strong>r Schmelzbadoberfläche<br />
beitragen, die eine Reoxidation <strong>de</strong>r Schmelze<br />
weitgehend verhin<strong>de</strong>rt. Durch <strong>de</strong>n Einsatz <strong>de</strong>r neuen<br />
Temperaturüberwachung und –regelung wird eine<br />
Effizienzsteigerung um bis zu 5 % erwartet.<br />
to electromagnetic fields. The measuring principle<br />
offers the potential for continuous, highly<br />
dynamic online melt temperature measurement.<br />
Besi<strong>de</strong>s lengthening the temperature measurement<br />
time, another benefit will be multiple use<br />
of the probes in the melt.<br />
The potential for continuous longterm measurement<br />
will be provi<strong>de</strong>d by <strong>de</strong>veloping a probe<br />
with highly insulating protective coatings<br />
(Fig. 95). Developing a permanent immersion<br />
probe will open up the opportunity for the first<br />
time of generating direct metallurgical benefits<br />
at the melt level with the help of temperature<br />
measurement technology. The inert gas required<br />
for the measurement technique can help to create<br />
a protective gas layer on the melt bath surface<br />
which will largely prevent reoxidisation of the<br />
melt. An improvement in energy efficiency of<br />
up to 5 % is expected from the use of the new<br />
temperature monitoring and control system.<br />
Überwachung <strong>de</strong>r Gießpulverab<strong>de</strong>ckung in <strong>de</strong>r<br />
Kokille<br />
Die Ab<strong>de</strong>ckung <strong>de</strong>s Gießspiegels und <strong>de</strong>r gleichmäßige<br />
Einlauf <strong>de</strong>s Gießpulvers in <strong>de</strong>n Gießspalt<br />
sind wesentliche Voraussetzungen zur Vermeidung<br />
von Durchbrüchen und Oberflächenfehlern.<br />
Gesteuert wird die Gießspiegelab<strong>de</strong>ckung durch die<br />
Art und Häufigkeit <strong>de</strong>r Gießpulverzugabe, wobei<br />
eine direkte Kontrolle insbeson<strong>de</strong>re beim Gießen<br />
von Langprodukten meist nicht möglich ist.<br />
Monitoring of casting pow<strong>de</strong>r coverage in the<br />
mould<br />
The coverage of the mould level and the uniform<br />
flow of the casting pow<strong>de</strong>r into the casting gap are<br />
essential preconditions for avoiding pow<strong>de</strong>r entrapment<br />
and surface <strong>de</strong>fects. Mould-level coverage is<br />
controlled by the type and frequency of casting<br />
pow<strong>de</strong>r addition. In most cases, however, direct<br />
control is not possible, especially when casting<br />
long products.<br />
Bild / Figure 96<br />
Mobiles System zur Überwachung <strong>de</strong>r Gießpulverab<strong>de</strong>ckung <strong>de</strong>s Gießspiegels<br />
Mobile system for monitoring of casting pow<strong>de</strong>r coverage of the mould level<br />
110 © VDEh-Betriebsforschungsinstitut GmbH
Measurement and Automation | Measuring and Testing<br />
Daher entwickelte das <strong>BFI</strong> eine kostengünstige<br />
optische Messtechnik zur Überwachung <strong>de</strong>r Gießpulverzugabe.<br />
Die Kombination einer robusten<br />
bildgeben<strong>de</strong>n Sensorik mit einer spezifischen<br />
online Bildverarbeitung liefert eine kontinuierliche<br />
Überwachung <strong>de</strong>r Badspiegeloberfläche. Das<br />
System ist sowohl in mobiler als auch in stationärer<br />
Ausführung verfügbar. Auf diese Weise kann die<br />
Gießpulverab<strong>de</strong>ckung lückenlos beurteilt wer<strong>de</strong>n.<br />
Bereiche mit ungenügen<strong>de</strong>r Be<strong>de</strong>ckung wer<strong>de</strong>n<br />
sofort automatisch erkannt.<br />
<strong>BFI</strong> has therefore <strong>de</strong>veloped a cost-effective<br />
optical measuring technique for monitoring<br />
casting pow<strong>de</strong>r addition. A combination of a robust<br />
imaging sensor with a <strong>de</strong>dicated online image<br />
processing unit permits continuous monitoring<br />
of the bath level surface. The system is available<br />
in both mobile and stationary versions. It<br />
enables seamless assessment of the casting pow<strong>de</strong>r<br />
coverage. Areas with insufficient coverage are<br />
automatically and instantly <strong>de</strong>tected.<br />
Verbesserung <strong>de</strong>r Schmelzentemperaturführung<br />
im Pfannenofen durch kontinuierliche faseroptische<br />
Temperaturmessung<br />
Bei <strong>de</strong>r Behandlung <strong>de</strong>s flüssigen Stahls im Pfannenofen<br />
wird die Schmelze bis zur erfor<strong>de</strong>rlichen<br />
Übergabetemperatur an das nachfolgen<strong>de</strong> Aggregat<br />
<strong>de</strong>r Prozesskette aufgeheizt. Eine kontinuierliche<br />
Kontrolle <strong>de</strong>r Schmelzentemperatur ermöglicht<br />
dabei, <strong>de</strong>n erfor<strong>de</strong>rlichen Energieeintrag zum<br />
Aufheizen <strong>de</strong>r Schmelze optimal zu regeln und die<br />
benötigte Zieltemperatur genau einzustellen. Bislang<br />
kann die aktuelle Temperatur <strong>de</strong>r Schmelze durch<br />
ein Temperaturmo<strong>de</strong>ll kontinuierlich berechnet<br />
wer<strong>de</strong>n. Nach <strong>de</strong>m Heizen wird durch eine Thermoelementmessung<br />
ein lokaler Kurzzeitwert bestimmt<br />
und die berechnete Temperatur <strong>de</strong>r Schmelze auf<br />
diesen Wert korrigiert.<br />
Mit einer neuen faseroptischen Temperaturmessanlage<br />
(Bild 97) kann die Schmelzentemperatur<br />
auch während <strong>de</strong>r Pfannenofenbehandlung<br />
kontinuierlich erfasst wer<strong>de</strong>n. Bei <strong>de</strong>r aus<br />
Messgerät, Lanze und Manipulator bestehen<strong>de</strong>n<br />
Messanlage, die auf <strong>de</strong>m DynTemp®-Messprinzip<br />
beruht, wird ein verzehren<strong>de</strong>r Lichtwellenleiter<br />
in einer manipulatorgestützten Schutzrohrson<strong>de</strong><br />
durch die Schlacke direkt in die Schmelze eingespult.<br />
Die Wärmestrahlung <strong>de</strong>r Schmelze wird<br />
durch <strong>de</strong>n Lichtwellenleiter zu einem Detektor<br />
geführt und die Temperatur bestimmt. Auch bei<br />
eingeschaltetem Lichtbogen können Messungen bis<br />
etwa 90 Sekun<strong>de</strong>n Dauer mit speziell entwickelten<br />
Minco-Son<strong>de</strong>n durchgeführt wer<strong>de</strong>n.<br />
Durch die Kenntnis <strong>de</strong>r aktuellen Temperatur und<br />
<strong>de</strong>r realen Geschwindigkeit <strong>de</strong>s Temperaturanstiegs<br />
während <strong>de</strong>s Heizens kann das Temperaturmo<strong>de</strong>ll<br />
die Schmelzentemperatur genauer berechnen.<br />
Diese Chargeninformationen ermöglichen, die<br />
Temperaturführung zu verbessern. In Bild 98 kann<br />
die gemessene Temperaturentwicklung nahe <strong>de</strong>r<br />
© VDEh-Betriebsforschungsinstitut GmbH<br />
Improvement of melt temperature control in<br />
the ladle furnace through continuous fibreoptical<br />
temperature measurement<br />
During treatment of the liquid steel in the<br />
ladle furnace, the melt is heated to the temperature<br />
required at the next plant in the process<br />
chain. Continuous monitoring of the liquid steel<br />
temperature enables optimal control of the energy<br />
required to heat the melt and precisely adjust the<br />
required target temperature. Up to now the actual<br />
temperature of the melt has been computed using<br />
a temperature mo<strong>de</strong>l. After heating, a thermocouple<br />
measures a local short-term value, and<br />
the computed melt temperature is corrected to<br />
this value.<br />
With a new fibre-optical temperature measuring<br />
system (Fig. 97), the melt temperature can<br />
now also be measured continuously during treatment<br />
in the ladle furnace. In this system, which<br />
is based on the DynTemp® measuring principle<br />
and comprises a measuring instrument, lance<br />
and manipulator, a consumable optical fibre is<br />
gui<strong>de</strong>d in a manipulator-controlled lance with<br />
a protective tube through the slag into the melt<br />
itself. The heat radiated by the melt is conducted<br />
through the optical fibre to a <strong>de</strong>tector where<br />
the temperature is <strong>de</strong>termined. Even during arc<br />
in operation, measurements with a duration of<br />
about 90 seconds can be performed using specially<br />
<strong>de</strong>veloped Minco probes.<br />
By knowing the actual temperature and the<br />
temperature rise during heating, the temperature<br />
mo<strong>de</strong>l is able to compute the liquid steel temperature<br />
more accurately. This charge information<br />
makes it possible to improve the temperature<br />
control. Fig. 98 shows the measured temperature<br />
evolution near to the melt bath surface at the<br />
111
Mess- und Automatisierungstechnik | Mess- und Prüftechnik<br />
Schmelzbadoberfläche am En<strong>de</strong> <strong>de</strong>r Heizphase<br />
verfolgt wer<strong>de</strong>n. Man erkennt eine starke Abkühlung<br />
<strong>de</strong>r überhitzten Badoberfläche nach Abschalten <strong>de</strong>s<br />
Lichtbogens durch die Durchmischung <strong>de</strong>r Schmelze.<br />
Die strömungsinduzierte Temperaturfluktuation<br />
nimmt mit <strong>de</strong>r Zeit ab. Durch diese kontinuierliche<br />
Messung kann beurteilt wer<strong>de</strong>n, wann die<br />
Schmelze homogen ist und so die Zuverlässigkeit<br />
<strong>de</strong>r Temperaturmessung gegenüber <strong>de</strong>r Kurzzeit-<br />
Thermoelementmessung gesteigert wer<strong>de</strong>n kann.<br />
Mit Hilfe dieser kontinuierlichen faseroptischen<br />
Temperaturmessung kann die Sicherheitsmarge<br />
<strong>de</strong>r Überhitzungstemperatur reduziert wer<strong>de</strong>n.<br />
end of the heating phase. One can observe the<br />
rapid cooling of the superheated bath surface<br />
after the electric arc has been switched off by<br />
homogenisation of the melt. The circulationinduced<br />
temperature fluctuation <strong>de</strong>creases with<br />
time. Thanks to this continuous measurement it<br />
is possible to judge when the melt has become<br />
homogeneous and to increase the reliability of<br />
this temperature measuring technique compared<br />
with the short-term thermocouple measurement.<br />
Thus, with the continuous fibre-optical temperature<br />
measurement it is also possible to reduce the<br />
safety margin for the overheating temperature.<br />
Bild / Figure 97<br />
Pfannenofen mit faseroptischer Temperaturmessanlage<br />
Ladle furnace with fibre-optical temperature measuring system<br />
Bild / Figure 98<br />
Kontinuierliche Messung <strong>de</strong>r Schmelzentemperatur am En<strong>de</strong> <strong>de</strong>r Pfannenofenbehandlung<br />
Continuous measurement of the liquid steel temperature at the end of ladle furnace treatment<br />
112 © VDEh-Betriebsforschungsinstitut GmbH
Measurement and Automation | Measuring and Testing<br />
Innovative berührungslos und zerstörungsfrei<br />
arbeiten<strong>de</strong> Sensoren für die automatische Oberflächen-<br />
und Innenfehler<strong>de</strong>tektion an heißen<br />
Stranggussprodukten<br />
Das <strong>BFI</strong> hat im Berichtszeitraum ein Forschungsprojekt<br />
abgeschlossen, in <strong>de</strong>ssen Rahmen ein<br />
berührungslos arbeiten<strong>de</strong>s Phased-Array EMAT-<br />
Brammen-US-Prüfsystem zur Detektion und Darstellung<br />
oberflächennaher Risse an kalten und heißen<br />
Stranggussbrammen entwickelt wur<strong>de</strong>. Durch <strong>de</strong>n<br />
Einsatz von elektromagnetischen Ultraschallköpfen<br />
erfolgt die Prüfung berührungslos und koppelmittelfrei.<br />
Es wer<strong>de</strong>n spezielle Oberflächenwellen<br />
(Rayleighwellen) benutzt, die für diesen Anwendungsfall<br />
ein beson<strong>de</strong>rs hohes Fehlernachweisvermögen<br />
bieten. Liegt die maximale Temperatur an<br />
<strong>de</strong>r Oberfläche am Ort <strong>de</strong>s Prüfkopfes unterhalb <strong>de</strong>r<br />
Curie-Temperatur (legierungsabhängig [für Stahl<br />
ca. 768° C]) kann eine hohe Fehlerempfindlichkeit<br />
erreicht wer<strong>de</strong>n.<br />
Innovative non-contact, non-<strong>de</strong>structive sensors<br />
for automatic <strong>de</strong>tection of surface and internal<br />
<strong>de</strong>fects in hot continuously cast products<br />
During the reporting period <strong>BFI</strong> has completed a<br />
research project, whereby a non-contact operating<br />
EMAT US slab inspection system was <strong>de</strong>veloped for<br />
the <strong>de</strong>tection and representation of near-surface<br />
cracks on cold and hot continuous casting slabs.<br />
The use of electromagnetic ultrasonic probes<br />
allows a non-contact testing and no coupling<br />
media is required. The applied surface waves<br />
(Rayleigh-waves) offer a particularly high <strong>de</strong>fect<br />
<strong>de</strong>tection capability for this application. For<br />
surface temperatures below the Curie temperature<br />
(<strong>de</strong>pen<strong>de</strong>nt on alloy [for steel 768° C]) at the<br />
location of the test probe high <strong>de</strong>fect sensitivity<br />
can be achieved.<br />
Bild / Figure 99<br />
Ultraschall-Prüfung von Brammen<br />
Ultrasonic inspection of slabs<br />
© VDEh-Betriebsforschungsinstitut GmbH<br />
113
Mess- und Automatisierungstechnik | Mess- und Prüftechnik<br />
Die gesuchten Oberflächen- bzw. oberflächennahen<br />
Defekte an Brammen wur<strong>de</strong>n auch bei schwierigen<br />
Randbedingungen (Oszillationsmarken, Restzun<strong>de</strong>r)<br />
sicher und reproduzierbar <strong>de</strong>tektiert. Die kleinste<br />
<strong>de</strong>tektierbare Fehlerfläche ist von <strong>de</strong>r Oberflächenbeschaffenheit<br />
abhängig und beträgt an natürlichen<br />
Stranggussprodukten ca. 4 mm2 (z.B. Risslänge =<br />
2 mm und Risstiefe 2 mm).<br />
In <strong>de</strong>m komplexen Ultraschall-Prüfkopf ist die<br />
Sen<strong>de</strong>- und Empfangselektronik integriert. Diese<br />
Elektronik ist in mo<strong>de</strong>rnster Technik (FPGA, DSP)<br />
und kleiner Bauform ausgeführt und kommuniziert<br />
über eine Ethernet-Verbindung mit einem PC, <strong>de</strong>r<br />
die Steuerung <strong>de</strong>r Elektronik übernimmt und die<br />
Ultraschalldaten darstellt und protokolliert.<br />
Das Verfahren wur<strong>de</strong> an Brammenstücken im<br />
Labor getestet und mit an<strong>de</strong>ren Prüfverfahren<br />
verglichen. Es konnte gezeigt wer<strong>de</strong>n, dass diese<br />
Technik in <strong>de</strong>r Lage ist, feinste Risse und Einschlüsse<br />
an <strong>de</strong>r Oberfläche aber auch unterhalb <strong>de</strong>r Oberfläche<br />
zu <strong>de</strong>tektieren. Das Bild 99 zeigt Risse an<br />
einer Brammenoberfläche und das zugehörige<br />
Ultraschallbild.<br />
Ein weiteres Projekt zur Realisierung einer<br />
Prototypanwendung im industriellen Umfeld ist<br />
gemeinsam mit Industriepartnern geplant.<br />
Surface and near-surface <strong>de</strong>fects in slabs can be<br />
<strong>de</strong>tected reliably and reproducibly un<strong>de</strong>r difficult<br />
conditions (oscillation marks, adhesive scale). The<br />
smallest <strong>de</strong>tectable <strong>de</strong>fect area <strong>de</strong>pends on the<br />
surface quality and reaches 4 mm2 for natural<br />
continuous casting surfaces (e.g. 2 mm crack<br />
<strong>de</strong>pth and 2 mm crack length).<br />
The complex transmitter and receive electronic<br />
is integrated into the ultrasonic probe housing.<br />
These electronics are ma<strong>de</strong> of State of the art<br />
technology (FPGA, DSP) and communicate via an<br />
Ethernet connection with a PC. The PC controls<br />
the system and displays and logs the results.<br />
The procedure has been tested in the laboratory<br />
on slab pieces and was compared to other<br />
inspection technologies. It could be shown that<br />
this technique is able to <strong>de</strong>tect very fine cracks<br />
and inclusions at the surface but also below the<br />
surface. Fig. 99 shows cracks on a slab surface<br />
and the corresponding US-image.<br />
Another project to build a prototype application<br />
in the industrial environment is planned in<br />
conjunction with partners from steel industry.<br />
Durchmesserbestimmung von heißem<br />
Rundmaterial<br />
Die verzögerungsfreie, berührungslose und kontinuierliche<br />
Messung <strong>de</strong>r geometrischen Abmessungen<br />
eines Produktes während <strong>de</strong>r Produktion mit hoher<br />
Messrate im Gegensatz zur stichprobenartigen<br />
Einzelmessung <strong>de</strong>s fertigen Produktes ist von hoher<br />
Be<strong>de</strong>utung für die Qualitätssicherung in <strong>de</strong>r Produktion<br />
von Werkstücken. Vom <strong>BFI</strong> wird hierfür ein<br />
Messsystem erfolgreich eingesetzt (siehe Bild 100),<br />
das die Eigenstrahlung <strong>de</strong>s heißen Materials für<br />
die Durchmesserbestimmung ausnutzt. Als Sensor<br />
dienen dabei Dio<strong>de</strong>nzeilenkameras, die das durch<br />
seine Eigenstrahlung erzeugte Abbild <strong>de</strong>s heißen<br />
Materials zur Signalverarbeitung nutzen. Diese<br />
spezielle Arbeitsweise ermöglicht eine Messung<br />
auch aus großer Entfernung, so dass die Kameras<br />
absolut sicher vor Hitze und Stoß montiert wer<strong>de</strong>n<br />
können. Messfehler aus optischen Effekten wer<strong>de</strong>n<br />
zuverlässig kompensiert. Bild 101 zeigt das allgemeine<br />
Messprinzip.<br />
Bei einem relativ fixen Abstand zwischen Messsystem<br />
und Messobjekt (z.B. Langschmie<strong>de</strong>maschinen)<br />
Diameter measurement on hot round bars<br />
During production measuring of geometric<br />
dimensions un<strong>de</strong>layed, non-contacting and<br />
continuously and with high repetition rate instead<br />
of random sampling is of high importance for<br />
quality assurance. That’s why <strong>BFI</strong> is successfully<br />
offering a measuring system (see Fig. 100) which<br />
uses the high self-emission of hot material for<br />
diameter evaluation. Line-scan-cameras as sensors<br />
evaluate the image produced by hot radiation of<br />
the material. This particular method allows measurements<br />
from a distance, so that the cameras can<br />
be mounted completely safe from heat and shock.<br />
Measuring faults caused by optical effects are<br />
reliably compensated. Fig 101 shows the general<br />
principle of measurement.<br />
If the distance between camera and object to be<br />
measured is fixed (e.g. long-forging-machines) then<br />
114 © VDEh-Betriebsforschungsinstitut GmbH
Measurement and Automation | Measuring and Testing<br />
ist die Variante mit einer einzelnen Kamera ausreichend.<br />
Bei Produktionslinien mit verän<strong>de</strong>rlicher<br />
Position <strong>de</strong>s Materials (z.B. Rohrwalzwerke) wird<br />
durch <strong>de</strong>n Einsatz einer Zwei-Kanal-Ausführung in<br />
Winkel-Anordnung eine permanente, wechselseitige<br />
Korrektur von Lageschwankungen vorgenommen.<br />
Durch konsequente Weiterentwicklung konnten<br />
die Einsatzmöglichkeiten <strong>de</strong>s <strong>BFI</strong>-Systems erweitert<br />
wer<strong>de</strong>n:<br />
– Die Integration von zwei Sensoren hat <strong>de</strong>n Messbereich<br />
bei Beibehaltung <strong>de</strong>r hohen Präzision<br />
<strong>de</strong>utlich erweitert.<br />
– Während früher die Winkelanordnung <strong>de</strong>r Kameras<br />
auf Winkel nahe 90° beschränkt war, ist nunmehr<br />
a single-camera system is completely sufficient.<br />
On production lines with unsteady position of the<br />
material (e.g. tube-rolling mills) a continuous and<br />
mutual correction of moving position is achieved<br />
using a two-channel-system with two cameras<br />
installed at an angle.<br />
Through systematic further <strong>de</strong>velopment it has<br />
been possible to expand the application possibilities<br />
for the <strong>BFI</strong> system.<br />
– Integration of two sensors significantly<br />
increased the measuring range of the singlechannel<br />
system up keeping high precision.<br />
– Formerly the angle of two-channel-system<br />
was restricted close to 90°. Now the range<br />
Bild / Figure 100<br />
Freiformschmie<strong>de</strong> im Einsatz<br />
Open-die forge in operation<br />
Bild / Figure 101<br />
Messprinzip <strong>de</strong>r Durchmessermessung<br />
Principle of diameter measurement<br />
© VDEh-Betriebsforschungsinstitut GmbH<br />
115
Mess- und Automatisierungstechnik | Mess- und Prüftechnik<br />
ein Bereich von ca. 45° bis 135° praktisch nutzbar.<br />
Durch diese und weitere Verbesserungen<br />
erschließen sich auch neue Einsatzgebiete.<br />
In <strong>de</strong>n letzten Jahren wur<strong>de</strong> weltweit eine Reihe<br />
von unterschiedlichen Produktionslinien mit dieser<br />
Messtechnik ausgestattet. Die an Langschmie<strong>de</strong>maschinen<br />
gefor<strong>de</strong>rte und realisierte Messbereichsauflösung<br />
bei Messabstän<strong>de</strong>n von etwa 9 bis 11m<br />
liegt hierbei im Bereich von weniger als 100µm.<br />
is practically increased to some 45° to 135°.<br />
These and other improvements are also opening<br />
up new areas of application.<br />
In the past a number of different production lines<br />
could be equipped with this measuring technique.<br />
On long-forging-machines resolution requested and<br />
realized is below 100µm at a measuring distance<br />
of some 9 to 11m.<br />
Kostengünstiger Ellipsometer-Sensor zur Messung<br />
von dünnsten Schichten auf Stahlband in <strong>de</strong>r<br />
Linie<br />
Das <strong>BFI</strong> hat einen optischen Sensor zur Online-<br />
Messung von dünnen Schichten auf bewegten Metallbän<strong>de</strong>rn<br />
zum Einsatz direkt in <strong>de</strong>r Linie realisiert.<br />
Dieser arbeitet nach <strong>de</strong>m Prinzip <strong>de</strong>r Ellipsometrie.<br />
Hierbei wird die Messstelle mit polarisiertem Laser-<br />
Cost-effective ellipsometer sensor for inline<br />
measurement of ultrathin layers on steel strip<br />
<strong>BFI</strong> has <strong>de</strong>signed and built an optical sensor for<br />
online measurement of thin layers on moving<br />
metal strip, for use directly at the line. The sensor<br />
works on the principle of ellipsometry.<br />
Bild / Figure 102<br />
Ellipsometer-Messkopf in <strong>de</strong>r Weißblechlinie<br />
Ellipsometer probe on a tinplate line<br />
Bild / Figure 103<br />
Messprinzip <strong>de</strong>r ellipsometrischen Schichtdickenmessung<br />
Principle of layer thickness measurement by ellipsometry<br />
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Measurement and Automation | Measuring and Testing<br />
licht angestrahlt. Die Wechselwirkung zwischen<br />
Licht und Oberfläche, hier bestehend aus Substrat<br />
(Metall) und Schicht (z.B. Öl) äußert sich in einer<br />
Verän<strong>de</strong>rung <strong>de</strong>s Polarisationszustan<strong>de</strong>s. Durch<br />
Analyse <strong>de</strong>s Polarisationszustan<strong>de</strong>s <strong>de</strong>s reflektierten<br />
Strahlenbün<strong>de</strong>ls lässt sich bei Kenntnis <strong>de</strong>r relevanten<br />
physikalischen Eigenschaften hieraus die<br />
Dicke <strong>de</strong>r aufliegen<strong>de</strong>n Schicht ermitteln (siehe<br />
Bild 102)<br />
Dem <strong>BFI</strong> ist es gelungen, einen Sensor speziell<br />
für die Messung auf bewegtem Stahlband auszulegen,<br />
mit <strong>de</strong>m Schichten im Nanometerbereich im<br />
Prozess kontinuierlich gemessen wer<strong>de</strong>n können.<br />
In <strong>de</strong>r aktuellen Ausführung liegt <strong>de</strong>r Messbereich<br />
bei 0-100nm; das entspricht eine Ölauflage von<br />
0-100 mg/m². Die Messgenauigkeit liegt bei +/- 1 nm.<br />
Größere Schichtdicken können durch Anpassung<br />
<strong>de</strong>s Systems nach <strong>de</strong>mselben Prinzip erfasst wer<strong>de</strong>n<br />
In einem Langzeittest mit einem Gerätehersteller<br />
wur<strong>de</strong>n Messgenauigkeit, Zuverlässigkeit und<br />
Standzeit nochmals evaluiert, siehe Bild 103. Das<br />
ausgereifte System soll nun über einen Lizenznehmer<br />
<strong>de</strong>m Markt zum Einsatz unter stahltypischen<br />
Betriebsbedingungen zugeführt wer<strong>de</strong>n.<br />
Here, the measuring point is illuminated with<br />
polarized laser light. The interaction between light<br />
and surface, here consisting of substrate (metal)<br />
and layer (e.g oil) is reflected in a change in the<br />
polarization state. By analyzing the polarization<br />
state of the reflected beam knowing the relevant<br />
physical properties the thickness of the overlying<br />
layer can be <strong>de</strong>termined (see Fig. 102).<br />
<strong>BFI</strong> could successfully <strong>de</strong>sign such a sensor especially<br />
for applications on moving steel strip. The<br />
system is useful for continuous layer thickness<br />
measurement in the nanometer range directly in<br />
the process. In the current <strong>de</strong>sign the measuring<br />
range is 0 to 100nm, which corresponds to an<br />
oil coating of 0 to 100 mg/m². The accuracy is<br />
+/- 1nm. Larger thicknesses can be measured by<br />
a system adjustment on the same principle.<br />
In a long-term test with a <strong>de</strong>vice manufacturer<br />
accuracy, reliability and durability were evaluated<br />
again, siehe Fig. 103. The sophisticated system<br />
should be brought now to the market by a licensee<br />
with the focus on typical operating conditions<br />
of steel.<br />
Werksweites Störungsbenachrichtigungssystem<br />
Die schnelle Erfassung und zeitnahe Behebung von<br />
Störungen stehen in direktem Zusammenhang mit<br />
<strong>de</strong>m Erfolg eines Unternehmens. In produzieren<strong>de</strong>n<br />
Unternehmen wer<strong>de</strong>n in <strong>de</strong>r Regel die Anlagen über<br />
Sensorik ständig überwacht. Störungen wer<strong>de</strong>n am<br />
entsprechen<strong>de</strong>n Aggregat o<strong>de</strong>r am Steuerpult bzw.<br />
Steuerstand angezeigt. Heutzutage kann nicht mehr<br />
von einer ständigen Personalpräsenz ausgegangen<br />
wer<strong>de</strong>n. Periphere Bereiche sind eher selten in<br />
automatische Überwachungssysteme eingebun<strong>de</strong>n.<br />
Diese Schwachstellen können unter Ausnutzung<br />
mo<strong>de</strong>rner Informationstechnologien komfortabel<br />
und effizient behoben wer<strong>de</strong>n.<br />
Das vom <strong>BFI</strong> entwickelte, werksweite Störungsbenachrichtigungssystem<br />
zeichnet sich durch einen<br />
einheitlichen Lösungsansatz zur Auf- bzw. Nachrüstung<br />
in heterogen bestückten Betrieben aus.<br />
Es orientiert sich an <strong>de</strong>n Verhältnissen bei einem<br />
Stahlverarbeiter und wur<strong>de</strong> in <strong>de</strong>n betrieblichen<br />
Einsatz überführt (siehe Bild 104).<br />
Das parametrierbare System sammelt Meldungen,<br />
erkennt einen Störzustand und bewertet die Relevanz<br />
Factory-wi<strong>de</strong> fault reporting system<br />
The fast registration and prompt adjustment of<br />
disturbances are in close relation to the success<br />
of a company. Normally in producing companies<br />
manufacturing facilities will be always supervised<br />
by adapted sensor equipment. Malfunctions<br />
are displayed directly at the machine or<br />
at the operation <strong>de</strong>sk respectively the control<br />
station. A permanent personal presence cannot be<br />
assumed in these days. Often peripheral areas are<br />
not integrated in automatic monitoring systems.<br />
These weak points can be eliminated comfortably<br />
and efficiently by using mo<strong>de</strong>rn information<br />
technologies.<br />
The factory-wi<strong>de</strong> malfunction messaging system<br />
<strong>de</strong>veloped by <strong>BFI</strong> is characterized by a uniform<br />
approach to solution suited for installation and<br />
upgra<strong>de</strong> of heterogeneous equipped plants. It is<br />
oriented towards the situation of a steel-processing<br />
company and was transferred to operation insi<strong>de</strong><br />
a steel plant (Fig. 104)<br />
The parameterisable system collects malfunction<br />
messages, recognizes the status of these messages<br />
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117
Mess- und Automatisierungstechnik | Mess- und Prüftechnik<br />
nach vorher <strong>de</strong>finierten Kriterien. Entsprechend<br />
<strong>de</strong>m hinterlegten Aktions- und Reaktionsszenario<br />
wird das zu diesem Zeitpunkt zuständige Personal<br />
(Einzelpersonen o<strong>de</strong>r Gruppen) ermittelt und es<br />
wer<strong>de</strong>n qualifizierte Nachrichten über verschie<strong>de</strong>ne<br />
Wege versen<strong>de</strong>t (z.B. über Mail o<strong>de</strong>r SMS). Die Quittierungen<br />
über <strong>de</strong>n Empfang wer<strong>de</strong>n überwacht<br />
und protokolliert.<br />
Die sich im praktischen Betrieb abzeichnen<strong>de</strong>n<br />
Möglichkeiten führten dazu, dass das System,<br />
welches zunächst nur für die Direktbenachrichtigung<br />
einiger ‚kritischer‘ Störzustän<strong>de</strong> ausgelegt<br />
war, nun möglichst viele Störungsquellen in dieser<br />
Form behan<strong>de</strong>ln soll. Gemeinsam mit <strong>de</strong>m Industriepartner<br />
wer<strong>de</strong>n so Optimierungen und Ergänzungen<br />
eingebracht, die diese Pilotanwendung zur<br />
vollständigen Industriereife führen sollen.<br />
and evaluates the relevance of the message by<br />
<strong>de</strong>fined criteria. Qualified information will be<br />
forwar<strong>de</strong>d by different routes (e.g. e-mail and/or<br />
SMS) to the responsible persons (individuals or<br />
groups) <strong>de</strong>fined in the system according to the<br />
previously stored action and reaction scenarios.<br />
Acknowledgements of receipt of the fault messages<br />
are monitored and logged.<br />
As its capabilities emerged in industrial practice,<br />
it was <strong>de</strong>ci<strong>de</strong>d to expand the system, which was<br />
initially <strong>de</strong>signed only for direct reporting of a<br />
number of ‘critical’ fault conditions, so that it<br />
could handle as many of such fault sources as<br />
possible. Together with the industrial partner,<br />
<strong>BFI</strong> is now jointly optimising and expanding<br />
the system to bring this pilot application to full<br />
industrial maturity.<br />
Bild / Figure 104<br />
Prinzip <strong>de</strong>s Störungsbenachrichtigungssystems<br />
Concept of malfunction message system<br />
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Measurement and Automation | Process and Plant Automation<br />
Entwicklung einer kostenoptimierten Einsatzstoffrechnung<br />
für <strong>de</strong>n Lichtbogenofen<br />
Die im Lichtbogenofen eingesetzten Schrotte<br />
weisen bezüglich ihrer Zusammensetzung und<br />
ihres metallischen Ausbringens zum Teil sehr<br />
starke Schwankungen auf, was insbeson<strong>de</strong>re auf<br />
günstige Schrotte von geringerer Qualität zutrifft.<br />
Dies erfor<strong>de</strong>rt eine kontinuierliche Ermittlung<br />
dieser Kennwerte und <strong>de</strong>ren Verwendung in einer<br />
Einsatzstoffrechnung zur Bestimmung <strong>de</strong>s kostengünstigsten<br />
Schrottmixes zur Produktion einer<br />
vorgegebenen Stahlgüte.<br />
Zur Ermittlung aller relevanten Eigenschaften<br />
<strong>de</strong>r im Lichtbogenofen eingesetzten Schrottsorten<br />
wur<strong>de</strong>n statistische Metho<strong>de</strong>n zur Bestimmung<br />
<strong>de</strong>s metallischen und elementweisen Ausbringens<br />
entwickelt. Insbeson<strong>de</strong>re für die unerwünschten<br />
Begleitelemente Cu und Sn und die Legierungselemente<br />
Cr, Ni und Mo lassen sich mit Hilfe <strong>de</strong>r<br />
ermittelten Ausbringungsfaktoren die Gehalte<br />
im Stahl bei Abstich sehr präzise voraussagen.<br />
Für die Elemente Mn und Si, die einem hohen<br />
Abbrand unterliegen, muss dabei zusätzlich die<br />
Schlackenanalyse berücksichtigt wer<strong>de</strong>n. Darüber<br />
hinaus wur<strong>de</strong>n Strategien zur Nachverfolgung <strong>de</strong>r<br />
Qualitätsschwankungen <strong>de</strong>r einzelnen Schrottsorten<br />
entwickelt. Diese statistischen Metho<strong>de</strong>n<br />
zur Ermittlung aller relevanten Schrottkennwerte<br />
sind Bestandteil <strong>de</strong>s Programms zur Bestimmung<br />
Development of a cost-optimised charge<br />
calculation for electric arc furnaces<br />
The scrap materials used in electric arc furnaces<br />
can vary consi<strong>de</strong>rably in terms of composition and<br />
metallic yield, especially in the case of low quality<br />
scrap. This calls for continuous <strong>de</strong>termination of<br />
these parameters for use in a charge mix calculation<br />
to i<strong>de</strong>ntify the most cost-effective scrap mix<br />
for production of a specified steel gra<strong>de</strong>.<br />
With a view to <strong>de</strong>termining all the relevant<br />
characteristics of the scrap gra<strong>de</strong>s used in electric<br />
arc furnaces, statistical methods were <strong>de</strong>veloped<br />
for <strong>de</strong>termining both the metallic yield and the<br />
element-wise yield. The i<strong>de</strong>ntified yield factors<br />
permit very precise prediction of the percentage<br />
content in steel at tapping for the un<strong>de</strong>sired tramp<br />
elements Cu and Sn and the alloying elements<br />
Cr, Ni and Mo. For the oxidisable elements Mn<br />
and Si, the slag analysis must also be taken into<br />
consi<strong>de</strong>ration. Further to this, strategies for<br />
tracking quality fluctuations in the individual<br />
types of scrap were <strong>de</strong>veloped.<br />
These statistical methods for <strong>de</strong>termining all<br />
relevant scrap characteristics are an integral part<br />
of the program for selecting the most cost-effective<br />
scrap mix. The factors taken into consi<strong>de</strong>ration<br />
Bild / Figure 105<br />
Bedienoberfläche zur Bestimmung <strong>de</strong>s kostenoptimalen Schrottmixes für eine vorgegebene Stahlgüte<br />
User interface for selecting the cost-optimal scrap mix for a specified steel gra<strong>de</strong><br />
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119
Mess- und Automatisierungstechnik | Prozess- und Anlagenautomatisierung<br />
The use of mo<strong>de</strong>rn automation systems based on<br />
dynamic process mo<strong>de</strong>ls and continuous measuring<br />
systems is essential for an energy- and resource<strong>de</strong>s<br />
kostengünstigsten Schrottmixes. Dabei wer<strong>de</strong>n<br />
sowohl Beschaffungs- und Energiekosten sowie<br />
Verfügbarkeit <strong>de</strong>r Schrottsorten als auch prozessbedingte<br />
Einschränkungen, wie z.B. maximale<br />
Menge einer Sorte und begrenztes Korbvolumen<br />
berücksichtigt. In Bild 105 ist die Bedienoberfläche<br />
zur Bestimmung <strong>de</strong>s optimalen Schrottmixes dargestellt.<br />
Die bei Abstich zu erwarten<strong>de</strong> Analyse ist<br />
neben <strong>de</strong>n oberen Grenzwerten <strong>de</strong>r Zielanalyse <strong>de</strong>r<br />
ausgewählten Stahlgüte aufgelistet, wobei kritische<br />
Elementgehalte rot hinterlegt wer<strong>de</strong>n.<br />
Die statistischen Metho<strong>de</strong>n zur Bestimmung<br />
<strong>de</strong>r Schrottkennwerte und <strong>de</strong>s kostenoptimalen<br />
Schrottmixes sind unter entsprechen<strong>de</strong>r Berücksichtigung<br />
<strong>de</strong>s eingesetzten Roheisens auch auf<br />
<strong>de</strong>n Blasstahl-Konverter übertragbar.<br />
Im Vergleich zu <strong>de</strong>r Auswahl <strong>de</strong>r Schrottsorten<br />
anhand von festen Tabellen ist durch die kostenoptimale<br />
Einsatzrechnung eine Einsparung bzgl. <strong>de</strong>r<br />
Schrottkosten von 5-10 % zu erwarten.<br />
inclu<strong>de</strong> procurement and energy costs, the availability<br />
of the scrap types, as well as process-related<br />
restrictions, such as the maximum quantity of any<br />
particular scrap type and limited basket volume.<br />
Fig. 105 shows the user interface for selecting the<br />
optimum scrap mix. The chemical composition<br />
to be expected at tapping can be seen along with<br />
the upper limits of the target analysis, critical<br />
element contents being highlighted in red.<br />
The statistical methods for <strong>de</strong>termining the<br />
scrap characteristics and the cost-optimised scrap<br />
mix can be transferred to BOF converters, while<br />
taking account of the hot metal amount and<br />
composition being charged.<br />
Compared to selecting scrap types according to<br />
tables with fixed data, the cost-optimal charge<br />
mix calculation is expected to bring savings of<br />
5–10 % in scrap costs.<br />
Entwicklung eines dynamischen Energie- und<br />
Massenbilanz-Mo<strong>de</strong>lls zur on-line Berechnung<br />
<strong>de</strong>r Schmelzentemperatur und <strong>de</strong>s Kohlenstoffgehalts<br />
im Lichtbogenofen<br />
Für eine energie- und ressourceneffiziente Fahrweise<br />
<strong>de</strong>s Lichtbogenofens ist die Anwendung<br />
mo<strong>de</strong>rner Automatisierungssysteme basierend<br />
Development of a dynamic energy and mass<br />
balance mo<strong>de</strong>l for on-line computation of the<br />
melt temperature and the carbon content in<br />
electric arc furnaces<br />
Bild / Figure 106<br />
Genauigkeit <strong>de</strong>s dynamischen LBO-Prozessmo<strong>de</strong>lls bzgl. <strong>de</strong>r Schmelzentemperatur<br />
Accuracy of the dynamic process mo<strong>de</strong>l in terms of melt temperature<br />
Bild / Figure 107<br />
Genauigkeit <strong>de</strong>s dynamischen LBO-Prozessmo<strong>de</strong>lls bzgl. <strong>de</strong>s Kohlenstoffgehalts<br />
Accuracy of the dynamic process mo<strong>de</strong>l in terms of carbon content<br />
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Measurement and Automation | Process and Plant Automation<br />
auf dynamischen Prozessmo<strong>de</strong>llen und kontinuierlichen<br />
Messsystemen unabdingbar.<br />
Zur online Beobachtung <strong>de</strong>s aktuellen Prozesszustands<br />
und zur Steuerung <strong>de</strong>r chemischen<br />
Energieeinträge wur<strong>de</strong> für <strong>de</strong>n Elektrolichtbogenofen<br />
ein dynamisches Prozessmo<strong>de</strong>ll entwickelt.<br />
Dieses Mo<strong>de</strong>ll basiert auf Energie- und Massenbilanzen<br />
und berechnet sowohl die aktuelle<br />
Schmelzentemperatur als auch Gewicht und Zusammensetzung<br />
<strong>de</strong>s Stahls und <strong>de</strong>r Schlacke während<br />
<strong>de</strong>s gesamten Behandlungszeitraums.<br />
Das dynamische Prozessmo<strong>de</strong>ll wur<strong>de</strong> an zwei<br />
Gleichstromöfen und einem Drehstromofen online<br />
installiert. Die mo<strong>de</strong>llgestützte, prozessbegleiten<strong>de</strong><br />
Beobachtung <strong>de</strong>s aktuellen Zustands <strong>de</strong>r<br />
Schmelze unterstützt <strong>de</strong>n Bediener bei <strong>de</strong>r Einstellung<br />
<strong>de</strong>r Zieltemperatur und <strong>de</strong>r vorgegebenen<br />
Stahlanalyse bei Abstich <strong>de</strong>s Ofens. Aufgrund <strong>de</strong>r<br />
hohen Mo<strong>de</strong>llgenauigkeit bezüglich aktueller<br />
Schmelzentemperatur (siehe Bild 106) und Kohlenstoffgehalt<br />
(siehe Bild 107) können diese Größen<br />
zuverlässig erreicht wer<strong>de</strong>n.<br />
Darüber hinaus wur<strong>de</strong> an einem <strong>de</strong>r bei<strong>de</strong>n<br />
Gleichstromöfen eine dynamische Steuerung <strong>de</strong>r<br />
Zufuhr von Nachverbrennungs-Sauerstoff unter<br />
Einbeziehung einer kontinuierlichen Abgasanalyse<br />
eingerichtet. Auf diese Weise kann das dynamische<br />
Prozessmo<strong>de</strong>ll zur Steuerung <strong>de</strong>r chemischen Energieeinträge<br />
verwen<strong>de</strong>t wer<strong>de</strong>n und zur Verbesserung<br />
<strong>de</strong>r Endpunktkontrolle beitragen. Hierdurch<br />
sind eine signifikante Energieeinsparung und eine<br />
Erhöhung <strong>de</strong>s metallischen Ausbringens beim<br />
Einschmelzprozess im Lichtbogenofen zu erwarten.<br />
efficient operation of electric arc furnaces.<br />
A dynamic process mo<strong>de</strong>l for electric arc furnaces<br />
was <strong>de</strong>veloped for on-line observation of the<br />
process status and for controlling the chemical<br />
energy input. This mo<strong>de</strong>l is based on energy and<br />
mass balances and computes not only the current<br />
melt temperature but also the weight and composition<br />
of the steel and the slag during the entire<br />
treatment time.<br />
The dynamic process mo<strong>de</strong>l has been installed<br />
on-line at two DC furnaces and one AC furnace.<br />
Mo<strong>de</strong>l-based observation of the current process<br />
and melt status helps the operator to set the target<br />
temperature and the specified chemical analysis<br />
of the steel at furnace tapping. Due to the high<br />
accuracy of the mo<strong>de</strong>l regarding the current melt<br />
temperature (see Fig. 106) and carbon content<br />
(see Fig. 107), these parameters can be achieved<br />
with a high level of reliability.<br />
Furthermore, a dynamic control of the postcombustion<br />
oxygen feed rate, which incorporates<br />
continuous analysis of the off-gas, was set up on<br />
one of the two DC furnaces. The dynamic process<br />
mo<strong>de</strong>l can thus be used to control the chemical<br />
energy input and help to improve the end point<br />
control. This is expected to achieve significant<br />
energy savings and an increase in the metallic<br />
yield during the meltdown process in the electric<br />
arc furnace.<br />
Optimierte Prozessführung <strong>de</strong>s Blasstahlkonverters<br />
auf <strong>de</strong>r Basis eines dynamischen Prozessmo<strong>de</strong>lls<br />
Zur Optimierung <strong>de</strong>r Prozessführung <strong>de</strong>s Sauerstoffblaskonverters<br />
wur<strong>de</strong> ein dynamisches Prozessmo<strong>de</strong>ll<br />
entwickelt, welches prozessbegleitend <strong>de</strong>n<br />
Behandlungsverlauf bzgl. <strong>de</strong>r Zusammensetzung<br />
von Stahl und Schlacke sowie <strong>de</strong>r Schmelzentemperatur<br />
beobachtet.<br />
In einer Sauerstoffbilanz wird zunächst anhand<br />
thermodynamischer Gleichgewichte und reaktionskinetischer<br />
Gleichungen bestimmt, welcher<br />
Anteil <strong>de</strong>s geblasenen Sauerstoffs jeweils für die<br />
Oxidation metallischer Elemente wie Silizium,<br />
Titan o<strong>de</strong>r Mangan und nichtmetallischer Begleiter<br />
Optimised BOF process control based on a<br />
dynamic process mo<strong>de</strong>l<br />
A dynamic process mo<strong>de</strong>l was <strong>de</strong>veloped to<br />
optimise process control for BOF converters. The<br />
mo<strong>de</strong>l is used to monitor the process behaviour<br />
regarding the composition of the steel and slag<br />
as well as the melt temperature.<br />
An oxygen balance is computed first with the<br />
help of thermodynamic equilibria and reactionkinetic<br />
equations to <strong>de</strong>termine the percentages<br />
of the blown oxygen that are consumed for the<br />
oxidation of the different metallic elements, e.g.<br />
silicon, titanium or manganese, and non-metallic<br />
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121
Mess- und Automatisierungstechnik | Prozess- und Anlagenautomatisierung<br />
wie Phosphor sowie für die Nachverbrennung von<br />
CO verbraucht wird. Daraus ergibt sich <strong>de</strong>r Sauerstoffanteil,<br />
<strong>de</strong>r für die Entkohlung zur Verfügung<br />
steht. Wenn in <strong>de</strong>r Endphase <strong>de</strong>r Behandlung <strong>de</strong>r<br />
Kohlenstoffgehalt seinen thermodynamischen<br />
Gleichgewichtswert nahezu erreicht hat, wird unter<br />
Berücksichtigung einer Reaktionskinetik 1. Ordnung<br />
die dann einsetzen<strong>de</strong> Eisenverschlackung und die<br />
damit einhergehen<strong>de</strong> verstärkte Entphosphorung<br />
berechnet. Sofern auch Abgasmesswerte zur Verfügung<br />
stehen, wird <strong>de</strong>r Übergang in diese Endphase<br />
<strong>de</strong>s Blasprozesses mit <strong>de</strong>m dann charakteristischen<br />
Abfall <strong>de</strong>s CO-Gehalts im Abgas abgeglichen.<br />
accompanying elements such as phosphorus, as<br />
well as for the post-combustion of CO. This reveals<br />
the percentage of oxygen which is available for<br />
<strong>de</strong>carburisation. When the carbon content has<br />
almost reached its thermodynamic equilibrium<br />
during the final stage of the process, the iron slagging<br />
phase which then sets in and the associated<br />
increased <strong>de</strong>phosphorisation are calculated un<strong>de</strong>r<br />
the assumption of first-or<strong>de</strong>r reaction kinetics.<br />
If off-gas measurement values are available, the<br />
transition to this end phase of the oxygen blowing<br />
process is aligned to the then characteristical<br />
drop in the off-gas CO content.<br />
Eine dynamische Energiebilanz zur Berechnung<br />
<strong>de</strong>r Stahltemperatur berücksichtigt <strong>de</strong>n Energieeintrag<br />
durch Entkohlung und Metallverschlackung,<br />
<strong>de</strong>n Einschmelz-Energiebedarf <strong>de</strong>r chargierten<br />
Schrotte, Schlackenbildner, Heiz- und Kühlmittel, die<br />
Energieverluste über Abgas, Staub, Abstrahlung und<br />
Konverterwand sowie die Energie zum Aufheizen<br />
<strong>de</strong>r Schmelze auf die jeweilige Temperatur. Damit<br />
ist eine verlässliche Bestimmung <strong>de</strong>s Endpunktes<br />
<strong>de</strong>r Behandlung möglich, sowohl hinsichtlich <strong>de</strong>r<br />
Entkohlung, als auch <strong>de</strong>r Entphosphorung und <strong>de</strong>r<br />
einzustellen<strong>de</strong>n Stahltemperatur. Dies konnte in<br />
einer on-line Anwendung <strong>de</strong>s Prozessmo<strong>de</strong>lls in<br />
A dynamic energy balance for calculating the<br />
steel temperature takes into account the energy<br />
input due to <strong>de</strong>carburisation and metal slagging,<br />
the smelting energy <strong>de</strong>mand of the charged scrap<br />
types, slag formers, heating and cooling agents,<br />
and the energy losses through off-gas, dust, radiation<br />
and heat conduction, as well as the energy<br />
to heat up the melt to the required temperature.<br />
It is thus possible to reliably <strong>de</strong>termine the end<br />
point of the process regarding <strong>de</strong>carburisation,<br />
<strong>de</strong>phosphorisation and the target steel temperature.<br />
This has been successfully tested in practice<br />
in an on-line application of the process mo<strong>de</strong>l<br />
Bild / Figure 108<br />
Eingangsdaten <strong>de</strong>s Konvertermo<strong>de</strong>lls und simulierter Behandlungsverlauf einer Beispielschmelze bzgl. Temperatur sowie Kohlenstoff- und Phosphorgehalt<br />
Input data of the converter mo<strong>de</strong>l and simulated process behaviour of a BOF melt with temperature as well as carbon and phosphorus content<br />
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Measurement and Automation | Process and Plant Automation<br />
Kombination mit einer laserbasierten schnellen<br />
Abgasanalyse bereits erfolgreich erprobt wer<strong>de</strong>n.<br />
Das dynamische Prozessmo<strong>de</strong>ll lässt sich darüber<br />
hinaus auch im Rahmen von Vorausberechnungen<br />
zur dynamischen Korrektur von Sollwerten für<br />
<strong>de</strong>n Sauerstoff- und Spülgasdurchfluss sowie die<br />
Zugabe von Schlackenbildnern, Kühl- und Heizmitteln<br />
einsetzen.<br />
Bild 108 zeigt exemplarisch <strong>de</strong>n simulierten<br />
Behandlungsverlauf einer Beispielschmelze bzgl.<br />
Temperatur und Kohlenstoff- sowie Phosphorgehalt.<br />
Die Genauigkeit <strong>de</strong>s Prozessmo<strong>de</strong>lls liegt bei einer<br />
Standardabweichung <strong>de</strong>s Mo<strong>de</strong>llfehlers von etwa<br />
18 K für die Schmelzentemperatur, ca. 90 ppm<br />
für <strong>de</strong>n Kohlenstoffgehalt und 30 ppm für <strong>de</strong>n<br />
Phosphorgehalt im Stahl, sowie etwa 3 % für <strong>de</strong>n<br />
Eisenoxidgehalt in <strong>de</strong>r Schlacke.<br />
in combination with a laser-based fast off-gas<br />
analysis. The dynamic process mo<strong>de</strong>l can also be<br />
used in a prediction mo<strong>de</strong> for dynamic correction<br />
of set-points for the oxygen and stirring gas<br />
flow rate, the addition of slag formers, as well as<br />
cooling and heating agents.<br />
Fig. 108 shows an example of the simulated<br />
process behaviour of a melt with respect to<br />
temperature as well as carbon and phosphorus<br />
content. The accuracy of the process mo<strong>de</strong>l as<br />
given by the standard <strong>de</strong>viation of the mo<strong>de</strong>l<br />
error is about 18 K for the melt temperature,<br />
approx. 90 ppm for the carbon content and<br />
30 ppm for the phosphorus content in the steel, and<br />
about 3 % for the iron oxi<strong>de</strong> content in the slag.<br />
Mo<strong>de</strong>llbasierte multi-kriterielle Optimierung <strong>de</strong>r<br />
Prozessführung in <strong>de</strong>r Sekundärmetallurgie<br />
Zur on-line Überwachung und Steuerung <strong>de</strong>r<br />
Prozesse in <strong>de</strong>r Sekundärmetallurgie wur<strong>de</strong>n dynamische<br />
Mo<strong>de</strong>lle <strong>de</strong>r wichtigsten metallurgischen<br />
Operationen entwickelt und in ein prozessstufenübergreifen<strong>de</strong>s<br />
Gesamtsystem integriert.<br />
Auf Basis <strong>de</strong>r Mo<strong>de</strong>llrechnungen in Kombination<br />
mit Messresultaten wer<strong>de</strong>n die wesentlichen<br />
Qualitätsparameter (Temperatur und Zusammensetzung<br />
<strong>de</strong>r Stahlschmelze, insbeson<strong>de</strong>re hinsichtlich<br />
Schwefel-, Stickstoff- und Wasserstoffgehalt, sowie<br />
Schlackenbilanz und Reinheitsgrad <strong>de</strong>r Schmelze)<br />
Mo<strong>de</strong>l-based multi-criteria optimisation of<br />
process control in secondary metallurgy<br />
Dynamic mo<strong>de</strong>ls for the most important<br />
metallurgical operations were <strong>de</strong>veloped and<br />
integrated into a through-process overall system<br />
for online monitoring and control of the processes<br />
in secondary metallurgy.<br />
Based on mo<strong>de</strong>l calculations combined with<br />
measurement results, the key quality parameters<br />
(temperature and composition of the steel melt,<br />
in particular the sulphur, nitrogen and hydrogen<br />
content, as well as the slag balance and cleanness of<br />
the melt) are continuously observed and predicted<br />
Bild / Figure 109<br />
Mo<strong>de</strong>lle und <strong>de</strong>ren Wechselwirkungen für prozessstufenübergreifen<strong>de</strong> on-line Qualitäts-Überwachung und darauf basieren<strong>de</strong> Optimierung <strong>de</strong>r<br />
Prozessführung<br />
Mo<strong>de</strong>ls and their interactions for through-process on-line quality monitoring and associated optimisation of process control<br />
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Mess- und Automatisierungstechnik | Prozess- und Anlagenautomatisierung<br />
kontinuierlich beobachtet und für das En<strong>de</strong> <strong>de</strong>r<br />
Behandlung vorhergesagt. Die Vorhersage beruht auf<br />
<strong>de</strong>n aktuell vorgegebenen Verfahrensvorschriften<br />
für die jeweils noch ausstehen<strong>de</strong>n Behandlungsschritte.<br />
Bei Abweichungen <strong>de</strong>r prognostizierten<br />
Werte für die Qualitätsparameter von <strong>de</strong>n geplanten<br />
Zielwerten wer<strong>de</strong>n entsprechen<strong>de</strong> Anpassungen<br />
<strong>de</strong>r Verfahrensvorschriften und Sollwerte zur<br />
Prozesssteuerung berechnet, um die angestrebte<br />
Qualität möglichst kostengünstig bei minimaler<br />
Behandlungsdauer zu erreichen.<br />
Bild 109 stellt die einzelnen ineinan<strong>de</strong>rgreifen<strong>de</strong>n<br />
Mo<strong>de</strong>lle dar, die im Rahmen eines prozessstufenübergreifen<strong>de</strong>n<br />
on-line Qualitäts-Monitors für<br />
ein Elektrostahlwerk mit Pfannenöfen, Vakuumentgasungsanlagen<br />
und Argon-Spülstand implementiert<br />
wor<strong>de</strong>n sind. Sie wer<strong>de</strong>n auch für die<br />
Vorhersagerechnungen auf Basis <strong>de</strong>r aktuellen o<strong>de</strong>r<br />
<strong>de</strong>r im Rahmen <strong>de</strong>r multi-kriteriellen Optimierung<br />
variierten Verfahrensvorschriften benutzt. In einem<br />
ersten Ansatz wur<strong>de</strong> das System genutzt, um die<br />
Zieltemperatur sowie die Zielgehalte von Kohlenstoff<br />
und Stickstoff am En<strong>de</strong> <strong>de</strong>r Behandlung auf <strong>de</strong>r<br />
Elektrostahlroute unter optimalen Bedingungen<br />
zuverlässig einzustellen.<br />
for the end point of the treatment. The prediction<br />
is based on the currently set practice data for the<br />
treatment steps that are still to be carried out. If<br />
the predicted values for the quality parameters<br />
<strong>de</strong>viate from the planned target values, the practice<br />
data and involved set points for process control<br />
are adapted accordingly in or<strong>de</strong>r to achieve the<br />
<strong>de</strong>sired quality at the lowest possible costs and<br />
with minimal treatment time.<br />
Fig. 109 gives an overview of the particular<br />
mo<strong>de</strong>ls with their interrelations that have been<br />
implemented in a through-process on-line quality<br />
monitor for an electric steelmaking plant with<br />
ladle furnaces, vacuum <strong>de</strong>gassing equipment and<br />
an argon stirring station. They are also used for<br />
predictive computations based on the current<br />
practice data or the practice data modified by the<br />
multi-criteria optimisation. In a first approach,<br />
the system was used for reliable adjustment of<br />
the target temperature and the target contents<br />
of carbon and nitrogen at the end of treatment<br />
in the electric steelmaking route un<strong>de</strong>r optimal<br />
conditions.<br />
Entwicklung einer mo<strong>de</strong>llbasierten Prozessführung<br />
für die VOD-Behandlung<br />
Zur on-line Beobachtung und Steuerung <strong>de</strong>s VOD-<br />
Prozesses, <strong>de</strong>r <strong>de</strong>r Entkohlung von hochlegierten Stahlqualitäten<br />
unter Vakuum dient, wur<strong>de</strong> ein dynamisches<br />
Development of a mo<strong>de</strong>l-based process control<br />
system for VOD treatment<br />
A dynamic process mo<strong>de</strong>l was <strong>de</strong>veloped for<br />
on-line monitoring and control of the VOD process<br />
for <strong>de</strong>carburisation of high-alloyed steel gra<strong>de</strong>s<br />
Bild / Figure 110<br />
Konzept für eine mo<strong>de</strong>llbasierte dynamische Prozessführung für die VOD-Anlage<br />
Concept for mo<strong>de</strong>l-based dynamic process control for the VOD plant<br />
124 © VDEh-Betriebsforschungsinstitut GmbH
Measurement and Automation | Process and Plant Automation<br />
Prozessmo<strong>de</strong>ll entwickelt. Es berechnet zyklisch die<br />
aktuelle Schmelzentemperatur sowie Gewicht und<br />
Zusammensetzung von Stahl und Schlacke.<br />
Das Mo<strong>de</strong>ll basiert auf dynamischen Energieund<br />
Massenbilanzen. In einer Sauerstoffbilanz<br />
wird während <strong>de</strong>r Oxidationsphase <strong>de</strong>r Verbrauch<br />
<strong>de</strong>s eingebrachten Sauerstoffs für die Entkohlung<br />
und <strong>de</strong>n Abbrand von metallischen Elementen<br />
anhand <strong>de</strong>r thermodynamischen Gleichgewichtsbedingungen<br />
und reaktionskinetischer Gleichungen<br />
berechnet. Nach Abschluss <strong>de</strong>r Entkohlung verfolgt<br />
das Mo<strong>de</strong>ll <strong>de</strong>n weiteren Behandlungsverlauf zur<br />
Desoxidation, Chromoxid-Reduktion, Entstickung<br />
bzw. Aufstickung und Entschwefelung.<br />
Die Standardabweichung <strong>de</strong>s Mo<strong>de</strong>llfehlers<br />
beträgt für die Schmelzentemperatur etwa<br />
20 K, die Entkohlung ca. 60 ppm, die Entstickung<br />
ca. 35 ppm und die Entschwefelung etwa 10 ppm.<br />
Auf <strong>de</strong>r Basis einer Vorausberechnung <strong>de</strong>s Prozessverhaltens<br />
wer<strong>de</strong>n zur Aufrechterhaltung einer<br />
maximalen Entkohlungsrate bei gleichzeitig minimaler<br />
Chromverschlackung optimale Zeitpunkte<br />
zur Absenkung <strong>de</strong>s Gefäßdrucks sowie ein dynamischer<br />
Sollwert für <strong>de</strong>n Sauerstoffdurchfluss<br />
bestimmt. Dabei berücksichtigt das Mo<strong>de</strong>ll auch das<br />
Einbringen von Sauerstoff über Einblasen von Feststoffen<br />
wie Zun<strong>de</strong>r. Bild 110 zeigt, wie die mo<strong>de</strong>llbasierte<br />
Beobachtung und Vorausberechnung <strong>de</strong>s<br />
Schmelzenzustands in eine dynamische Berechnung<br />
optimaler Sollwerte für die VOD-Prozessführung<br />
eingehen.<br />
un<strong>de</strong>r vacuum. The mo<strong>de</strong>l cyclically calculates<br />
the current melt temperature and the weight<br />
and composition of steel and slag.<br />
The mo<strong>de</strong>l is based on dynamic energy and mass<br />
balances. In an oxygen balance, the consumption<br />
of the injected oxygen for <strong>de</strong>carburisation and<br />
combustion of metallic elements is computed<br />
during the oxidation phase from the thermodynamic<br />
equilibrium conditions and reactionkinetic<br />
equations. Once <strong>de</strong>carburisation has been<br />
completed, the mo<strong>de</strong>l monitors the subsequent<br />
process behaviour for <strong>de</strong>oxidation, chromium<br />
oxi<strong>de</strong> reduction, nitrogen removal or pick-up<br />
and <strong>de</strong>sulphurisation.<br />
The standard <strong>de</strong>viation of the mo<strong>de</strong>l error is<br />
about 20 K for the melt temperature, about 60 ppm<br />
for <strong>de</strong>carburisation, about 35 ppm for nitrogen<br />
removal, and about 10 ppm for <strong>de</strong>sulphurisation.<br />
Based on a prediction of the process behaviour<br />
the optimal time points for lowering the<br />
vessel pressure and a dynamic set-point for the<br />
oxygen blowing rate are <strong>de</strong>termined to maintain<br />
a maximum <strong>de</strong>carburisation rate while keeping<br />
chromium slagging to a minimum. The mo<strong>de</strong>l also<br />
takes into account the introduction of oxygen via<br />
injection of solids like scale. Fig. 110 shows how<br />
the mo<strong>de</strong>l-based monitoring and prediction of the<br />
heat state are utilised in dynamic calculations of<br />
optimal set-points for VOD process control.<br />
Bild / Figure 111<br />
Bedienoberfläche <strong>de</strong>s <strong>BFI</strong>-Systems zur online Beobachtung und Regelung <strong>de</strong>s Spülens und Entgasens wäh-rend <strong>de</strong>r VD-Behandlung<br />
User interface of the <strong>BFI</strong> system for online mointoring and control of stirring and <strong>de</strong>gassing during the VD process<br />
© VDEh-Betriebsforschungsinstitut GmbH<br />
125
Mess- und Automatisierungstechnik | Prozess- und Anlagenautomatisierung<br />
Im Rahmen einer ersten Anwendung <strong>de</strong>s Mo<strong>de</strong>lls<br />
mit seinen Beobachtungs- und Steuerungsfunktionen<br />
konnten an einer VOD-Anlage signifikante<br />
Kosteneinsparungen für Energie, Prozessgase, Reduktionsmittel<br />
und Zuschlagstoffe erzielt wer<strong>de</strong>n.<br />
Darüber hinaus wur<strong>de</strong> das Mo<strong>de</strong>ll erfolgreich<br />
zur Prozessführung an einer VD-Anlage mit einer<br />
Vorrichtung zum Einblasen von – im Vergleich<br />
zum VOD-Verfahren – kleineren Sauerstoffmengen<br />
über eine Handlanze in Betrieb genommen. Dies<br />
ermöglicht dort eine kostengünstige Erweiterung<br />
<strong>de</strong>s Produktspektrums auf hochchromhaltige Stahlgüten<br />
mit niedrigen Kohlenstoffgehalten.<br />
A first application of the mo<strong>de</strong>l with its monitoring<br />
and control functions on a VOD plant<br />
resulted in significant cost savings on energy,<br />
process gases, reducing agents and additives. In<br />
addition, the mo<strong>de</strong>l has been successfully implemented<br />
for process control in a VD plant equipped<br />
for injecting oxygen at a smaller feed rate than<br />
in the VOD process by means of a manual lance.<br />
This has resulted in a cost-efficient expansion of<br />
the product spectrum of the VD plant to inclu<strong>de</strong><br />
high-chromium steel gra<strong>de</strong>s with low carbon<br />
content.<br />
Verbesserung <strong>de</strong>r Vakuumentgasung durch online<br />
Messtechnik und dynamische Mo<strong>de</strong>llierung zur<br />
Erfassung und Regelung <strong>de</strong>s Pfannenspülens<br />
Der Pfannenstan<strong>de</strong>ntgasungs- o<strong>de</strong>r VD-Prozess<br />
wird zur Entfernung von Kohlenstoff, Wasserstoff,<br />
Stickstoff und Schwefel aus <strong>de</strong>r Stahlschmelze<br />
eingesetzt. Die Leistungsfähigkeit dieser metallurgischen<br />
Operationen sowie <strong>de</strong>r Verlauf <strong>de</strong>r<br />
Schmelzentemperatur während <strong>de</strong>r VD-Behandlung<br />
wer<strong>de</strong>n dabei maßgeblich durch die Intensität<br />
<strong>de</strong>s Pfannenspülens <strong>de</strong>r Schmelze beeinflusst.<br />
Aufgrund einer unzureichen<strong>de</strong>n Spülintensität,<br />
die in <strong>de</strong>r Regel manuell vom Bediener eingestellt<br />
wird, kommt es häufig zu Fehlchargen, bei <strong>de</strong>nen<br />
die Qualitätsanfor<strong>de</strong>rungen nicht erreicht wer<strong>de</strong>n.<br />
Zur Ermittlung <strong>de</strong>r Spülintensität wird die<br />
Schmelzbadoberfläche während <strong>de</strong>r Vakuumentgasung<br />
mit einer Infrarotkamera beobachtet.<br />
Mittels einer geeigneten online Bildverarbeitung<br />
wird die Wirksamkeit <strong>de</strong>s Prozesses hinsichtlich<br />
<strong>de</strong>r tatsächlichen Spülintensität bewertet. Diese<br />
Information wird als zusätzliche Eingangsgröße für<br />
ein vom <strong>BFI</strong> entwickeltes dynamisches Mo<strong>de</strong>ll zur<br />
on-line Beobachtung <strong>de</strong>s aktuellen Prozesszustands<br />
genutzt. Dadurch lässt sich die Zuverlässigkeit in<br />
<strong>de</strong>r Vorhersage <strong>de</strong>r Gehalte von Wasserstoff, Stickstoff,<br />
Kohlenstoff, Schwefel sowie <strong>de</strong>r Schmelzentemperatur<br />
<strong>de</strong>utlich verbessern.<br />
Bild 111 zeigt die Bedienoberfläche <strong>de</strong>s Gesamtsystems.<br />
Im linken Teil wird die aus <strong>de</strong>r Bildverarbeitung<br />
ermittelte aktuelle Größe <strong>de</strong>s Spülflecks<br />
(gelb eingefärbt) visualisiert. Rechts unten wird <strong>de</strong>r<br />
Verlauf <strong>de</strong>r Spülfleckgröße dargestellt. Das Ergebnis<br />
<strong>de</strong>r Mo<strong>de</strong>llrechnungen hinsichtlich <strong>de</strong>s aktuellen<br />
Wasserstoffgehalts und <strong>de</strong>r bisher aufgelaufenen<br />
Temperaturverluste wird rechts oben angezeigt.<br />
Improvement of vacuum <strong>de</strong>gassing by means of<br />
online measuring technology and dynamic mo<strong>de</strong>lling<br />
to record and regulate ladle stirring<br />
The vacuum ladle tank <strong>de</strong>gassing or VD process<br />
is used to remove carbon, hydrogen, nitrogen and<br />
sulphur from the steel melt. The performance<br />
of these metallurgical operations and the melt<br />
temperature profile during the VD treatment<br />
are influenced to a major extent by the intensity<br />
with which the melt is stirred. If the stirring<br />
intensity, which is generally set manually by the<br />
operator, is insufficient, this can often result in<br />
poor-quality batches.<br />
To <strong>de</strong>termine the stirring intensity, the melt<br />
bath surface is monitored by an infrared camera<br />
during vacuum <strong>de</strong>gassing. With the help of suitable<br />
online image processing, the effectiveness<br />
of the process is assessed in terms of the actual<br />
stirring intensity. This information is utilised<br />
as an additional input variable for a dynamic<br />
mo<strong>de</strong>l <strong>de</strong>veloped by <strong>BFI</strong> for online monitoring<br />
of the current process state. This consi<strong>de</strong>rably<br />
improves the reliability of predictions regarding<br />
the hydrogen, nitrogen, carbon and sulphur<br />
content and the melt temperature.<br />
Fig. 111 shows the user interface of the overall<br />
system. In the left part of the illustration, the current<br />
size of the open eye (coloured yellow) is visualised<br />
as <strong>de</strong>termined from the image processing system.<br />
The progression of the open eye size is shown at the<br />
bottom right. The results of the mo<strong>de</strong>l computations<br />
regarding the hydrogen content at that time<br />
and the temperature losses that had occurred up<br />
to that point are shown at the top right.<br />
126 © VDEh-Betriebsforschungsinstitut GmbH
Measurement and Automation | Process and Plant Automation<br />
Das System dient zur Realisierung einer geschlossenen<br />
Regelung <strong>de</strong>s Entgasungsprozesses, um für<br />
je<strong>de</strong> Schmelze eine optimale Spülintensität zu<br />
gewährleisten.<br />
The system serves to build a closed-loop control<br />
for the <strong>de</strong>gassing process, in or<strong>de</strong>r to assure the<br />
optimal stirring intensity for each melt.<br />
Qualitätsbasiertes Planungsassistenzsystem für<br />
E<strong>de</strong>lstahlwerke<br />
Die Produktionsplanung in einem Stahlwerk ist<br />
ein hoch komplexer Vorgang <strong>de</strong>r entschei<strong>de</strong>nd<br />
die Produktivität, die Kosten und die Qualität<br />
beeinflusst. In <strong>de</strong>n verfügbaren kommerziellen<br />
Systemen gibt es zurzeit keine Rückkopplung <strong>de</strong>r<br />
produzierten Qualität in die Produktionsplanung.<br />
Ziel dieses Projektes ist die Entwicklung eines Assistenzsystems<br />
für die Produktionsplanung, welches<br />
die Qualitätseinflüsse <strong>de</strong>r einzelnen Produktionsstufen<br />
einbezieht. In <strong>de</strong>r betrachteten Prozesskette<br />
(Kaltwalzen – Glühen – Dressieren – Adjustage)<br />
gibt es oft mehrere mögliche Produktionsrouten.<br />
Das Planungsassistenzsystem ermittelt die aus<br />
Qualitätsgesichtspunkten i<strong>de</strong>ale Prozessroute. Da<br />
sich hieraus eine Überlastung <strong>de</strong>r Aggregate ergeben<br />
kann, muss auch <strong>de</strong>r Anlagendurchsatz in <strong>de</strong>r<br />
mehrdimensionalen Optimierung berücksichtigt<br />
wer<strong>de</strong>n. Ähnlich einer Stauumfahrung beim Auto-<br />
Navigationssystem, liefert das Planungsassistenzsystem<br />
auch die nächstbesten Produktionsrouten<br />
bzw. das globale Optimum (siehe Bild 112).<br />
Den Kern <strong>de</strong>s Planungsassistenzsystems bil<strong>de</strong>n<br />
Mo<strong>de</strong>lle, die die individuelle Qualität von je<strong>de</strong>m Coil<br />
in <strong>de</strong>n einzelnen Aggregaten abschätzen. Hierfür<br />
fin<strong>de</strong>n im Rahmen <strong>de</strong>s Projektes Messkampagnen<br />
mit mobilen topometrischen Messgeräten statt, um<br />
die Messkette bez. <strong>de</strong>r Qualitätsgrößen Planheit<br />
und Bandform zu vervollständigen.<br />
Quality-based planning assistant system for<br />
stainless steel mills<br />
Production planning in a steel mill is a highly<br />
complex process which has a <strong>de</strong>cisive influence<br />
on productivity, costs and quality. In commercially<br />
available planning systems is up to now no<br />
provision for feeding back data on the produced<br />
quality into the production planning process.<br />
The aim of this project is to <strong>de</strong>velop a software<br />
assistant for production planning which will take<br />
the quality-influencing factors of the individual<br />
production stages into account. In the process<br />
chain being consi<strong>de</strong>red (cold rolling – annealing –<br />
temper rolling – finishing), there are often several<br />
possible production routes. The planning assistant<br />
will <strong>de</strong>termine which is the i<strong>de</strong>al process route<br />
from the quality viewpoint. Since this eventually<br />
could result in overloading of the equipment, the<br />
plant through-put must also be consi<strong>de</strong>red in the<br />
multi-dimensional optimisation process. Similar<br />
to the traffic jam avoidance feature in a satellite<br />
navigation system, the software planning assistant<br />
will propose the next best production routes or<br />
the overall optimum (see Fig. 112).<br />
The software planning assistant is based on<br />
mo<strong>de</strong>ls which estimate the individual quality of<br />
each coil in the different pieces of equipment.<br />
As part of this project, measuring campaigns are<br />
being conducted with mobile topometric instruments<br />
in or<strong>de</strong>r to complete the measuring chain<br />
regarding the quality parameters of flatness and<br />
strip shape.<br />
Bild / Figure 112<br />
Mehrdimensionale Optimierung <strong>de</strong>r individuellen Produktionsrouten unter Berücksichtigung <strong>de</strong>r Produktqualität und <strong>de</strong>s Anlagendurchsatzes<br />
Multi-dimensional optimisation of individual production routes while consi<strong>de</strong>ring product quality and facility throughput<br />
© VDEh-Betriebsforschungsinstitut GmbH<br />
127
Mess- und Automatisierungstechnik | Prozess- und Anlagenautomatisierung<br />
Unterstützung <strong>de</strong>s Störungsmanagements beim<br />
Warmwalzen von Langprodukten<br />
Bei Unterbrechungen im Warmwalzprozess kühlen<br />
die Langprodukte ungleichmäßig ab. Insbeson<strong>de</strong>re<br />
bei komplexen Geometrien ist es unklar, ob noch<br />
alle dünnen Bereiche <strong>de</strong>r Geometrie ausreichend<br />
heiß für die sichere Weiterverarbeitung sind.<br />
Für diese Problemstellung wird ein automatisches<br />
Assistenzsystem zur Unterstützung <strong>de</strong>r Anlagenfahrer<br />
entwickelt. Die kontinuierliche Überwachung<br />
<strong>de</strong>r Oberflächentemperatur von Langprodukten<br />
während eines Warmwalzprozesses wird i.d.R. mit<br />
stationären Strahlungspyrometern realisiert. Diese<br />
Temperaturinformationen sind nicht ausreichend.<br />
Um für komplexe Geometrien profilierter Halbzeuge<br />
eine verbesserte Aussage zum Temperaturprofil zu<br />
treffen, wird im Rahmen eines Verbundprojektes<br />
ein adaptiver Berechnungsalgorithmus entwickelt.<br />
Ausgehend von <strong>de</strong>r Ziehtemperatur wird über<br />
<strong>de</strong>n Nutzgutquerschnitt das Temperaturprofil für<br />
<strong>de</strong>n gesamten Walzprozess berechnet und mit<br />
betrieblichen Pyrometermessungen abgeglichen.<br />
Dabei wird auch <strong>de</strong>r Energieeintrag durch die<br />
Umformung an <strong>de</strong>n Walzgerüsten berücksichtigt.<br />
Als Ergebnis liefert das Assistenzsystem in Echtzeit<br />
die Temperaturgradienten über <strong>de</strong>n Querschnitt<br />
<strong>de</strong>s Nutzgutes (siehe Bild 113).<br />
Damit hat <strong>de</strong>r Anlagenfahrer eine gute Entscheidungsgrundlage,<br />
ob eine Weiterverarbeitung noch<br />
möglich ist o<strong>de</strong>r nicht.<br />
Assistance system for disturbance management<br />
during hot rolling of hot long products<br />
In case of stoppages during hot rolling, long<br />
products cool down in a non-homogeneous way.<br />
Especially for complex geometries it is unknown,<br />
if all thin areas of geometry are hot enough for<br />
further processing.<br />
An assistance system will be <strong>de</strong>veloped to support<br />
plant operators. Continuous monitoring of the<br />
surface temperature of long products during a hot<br />
rolling process is generally done using steady-state<br />
radiant pyrometers. This temperature information<br />
does not suffice to calculate material-specific<br />
properties. In or<strong>de</strong>r to <strong>de</strong>termine the temperature<br />
profile more accurately for complex geometries<br />
of sectional semi-finished products, an adaptive<br />
calculation algorithm is being <strong>de</strong>veloped as part of<br />
a collaborative project. Starting with the drawing<br />
temperature, the temperature profile across the<br />
rolling stock cross-section is computed for the<br />
entire rolling process and compared with measurements<br />
obtained with the installed pyrometers.<br />
These computations also take into account the<br />
energy transfer into the material during <strong>de</strong>formation<br />
in the rolling mill stands. The assistance<br />
system <strong>de</strong>livers the temperature gradients over<br />
the rolling stock cross-section in real time (see<br />
Fig. 113).<br />
By using this system the operator has got a good<br />
<strong>de</strong>cision support whether a further processing<br />
is possible or not.<br />
Bild / Figure 113<br />
Beispiel einer berechneten Temperaturverteilung eines profilierten Walzgutes in <strong>de</strong>r Warmwalzstrasse<br />
Example of the computed temperature distribution in profiled rolling stock in the hot rolling mill<br />
128 © VDEh-Betriebsforschungsinstitut GmbH
Measurement and Automation | Process and Plant Automation<br />
Optimale Festigkeitsregelung durch individuelle<br />
Einstellung <strong>de</strong>r Kühlstrecke in Warmbandwalzwerken<br />
basierend auf Mo<strong>de</strong>llprädiktion und<br />
online-Messung <strong>de</strong>r Festigkeit<br />
Eines <strong>de</strong>r wesentlichen Qualitätsmerkmale von<br />
warm gewalztem Stahlband ist ein gleichmäßiger<br />
Verlauf <strong>de</strong>r mechanischen Eigenschaften innerhalb<br />
enger Toleranzen über <strong>de</strong>r gesamten Bandlänge.<br />
Traditionell ermittelt man die Materialeigenschaften<br />
anhand von Proben, die am Bandanfang und am<br />
Ban<strong>de</strong>n<strong>de</strong> genommen wer<strong>de</strong>n. Dies ist kostenintensiv<br />
und zeitaufwändig. Des Weiteren muss<br />
man berücksichtigen, dass sich die mechanischen<br />
Eigenschaften am Bandanfang und -en<strong>de</strong> von <strong>de</strong>nen<br />
im Bandfilet unterschei<strong>de</strong>n. Ein Grund hierfür ist,<br />
dass das Band in <strong>de</strong>r Mitte <strong>de</strong>s aufgewickelten Coils<br />
langsamer abkühlt als an <strong>de</strong>r Coiloberfläche. Folglich<br />
kann man die Materialeigenschaften im Bandfilet<br />
nur näherungsweise anhand <strong>de</strong>r Eigenschaften am<br />
Bandanfang und en<strong>de</strong> bestimmen.<br />
Die online-Messung elementarer Materialeigenschaften<br />
(z. B. Festigkeit und Streckgrenze)<br />
ermöglicht neue und innovative Verfahren zur<br />
effizienten Vergleichmäßigung und Verbesserung<br />
<strong>de</strong>r Materialeigenschaften über <strong>de</strong>r gesamten Bandlänge.<br />
Das <strong>BFI</strong> hat ein prozessstufenübergreifen<strong>de</strong>s<br />
Zugfestigkeitsregelungssystem entwickelt, um<br />
engere Toleranzen in <strong>de</strong>n Materialeigenschaften<br />
zu erreichen. In Simulationsstudien hat das neue<br />
Regelungssystem bereits seine Leistungsfähigkeit<br />
gezeigt. Es erfolgt <strong>de</strong>rzeit die Erprobung an <strong>de</strong>r<br />
Anlage.<br />
Optimal strength control through selective<br />
adjustment of the cooling line in hot strip rolling<br />
mills based on mo<strong>de</strong>l prediction and online<br />
strength measurements<br />
One of the main quality features of hot-rolled<br />
steelstrip is the uniformity of mechanical properties<br />
within close tolerances over the entire coil<br />
length. Traditionally, the material properties<br />
are <strong>de</strong>termined from samples taken at the coil<br />
head and tail ends. This is both costly and timeconsuming.<br />
Moreover, it has to be consi<strong>de</strong>red<br />
that the mechanical properties at the coil head<br />
and tail differ from those in the coil centre. One<br />
reason for this is that the strip cools more slowly<br />
in the coil centre than it does at the coil surface<br />
(i.e. coil head and tail). As a result, the material<br />
properties in the coil centre can only be approximately<br />
<strong>de</strong>termined from the properties at the<br />
head and tail.<br />
Online measurement of material properties<br />
(e.g. strength and yield stress) enables new and<br />
innovative processes for efficient regularisation<br />
and improvement of the material properties over<br />
the entire coil length. T<strong>BFI</strong> <strong>de</strong>veloped a through<br />
process tensile strength control system to ensure<br />
smaller <strong>de</strong>viations of material properties. In simulation<br />
studies the new control system proved it’s<br />
efficiency. Actual the implementation at a plant<br />
is running.<br />
Bild / Figure 114<br />
Festigkeitsregelung über die Optimierung <strong>de</strong>r Kühlstrecken in Warmbandstraßen<br />
Strength control via optimisation of cooling zones in hot strip mills<br />
© VDEh-Betriebsforschungsinstitut GmbH<br />
129
Mess- und Automatisierungstechnik | Prozess- und Anlagenautomatisierung<br />
Zur Erreichung <strong>de</strong>r Projektziele wer<strong>de</strong>n Mo<strong>de</strong>lle<br />
entwickelt, die die Prozessstufen in ausreichen<strong>de</strong>r<br />
Genauigkeit beschreiben. Eine schrittweise lernen<strong>de</strong><br />
Optimierungsstrategie, die die Kühltrajektorien an<br />
<strong>de</strong>r Kühlstrecke beieinflußt sorgt für eine kontinuierliche<br />
Qualitätsverbesserung (Bild 114).<br />
To achieve the project goals, mo<strong>de</strong>ls are being<br />
<strong>de</strong>veloped which <strong>de</strong>scribe the process stages in<br />
sufficient accuracy, with an optimisation strategy<br />
for learning step by step that adapts the cooling<br />
trajectories on the cooling line (Fig. 114).<br />
Prozessstufenübergreifen<strong>de</strong> integrierte Planheitsund<br />
Festigkeitsregelung<br />
Die Anfor<strong>de</strong>rungen von Flachprodukten hinsichtlich<br />
einer guten Planheit und gleichmäßigen Materialeigenschaften<br />
sind in <strong>de</strong>n vergangenen Jahren<br />
rasant gestiegen. So müssen bei <strong>de</strong>r Produktion<br />
von Stahlbän<strong>de</strong>rn Grenzwerte <strong>de</strong>r Planheit und<br />
enge Toleranzen in <strong>de</strong>n Materialeigenschaften,<br />
wie beispielsweise Zugfestigkeit und Streckgrenze,<br />
eingehalten wer<strong>de</strong>n.<br />
Die Beeinflussung <strong>de</strong>r Planheit und <strong>de</strong>r Materialeigenschaften<br />
geschieht in <strong>de</strong>n Prozessstufen an<br />
mehreren Stellen. In Abhängigkeit <strong>de</strong>r chemischen<br />
Zusammensetzung wer<strong>de</strong>n die mechanischen Eigenschaften,<br />
genauso wie die Planheit, durch <strong>de</strong>n Walzvorgang<br />
und durch die thermische Behandlung verän<strong>de</strong>rt.<br />
So wird beispielsweise mit <strong>de</strong>m Walzvorgang<br />
die Korngröße und mit <strong>de</strong>m Abkühlvorgang in <strong>de</strong>r<br />
Kühlstrecke die Kristallstruktur eingestellt.<br />
Through-process integrated shape and strength<br />
control<br />
The <strong>de</strong>mands ma<strong>de</strong> on flat products regarding<br />
flatness and material have risen sharply in recent<br />
years. Steel strip must be produced within<br />
strict limits for flatness and close tolerances for<br />
material properties such as tensile and yield<br />
strength.<br />
Both the flatness and the material properties<br />
are adjusted at several points and in different<br />
phases of the process. The mechanical properties,<br />
as well as the flatness, are changed during the<br />
rolling process and during thermal treatment<br />
as a function of the chemical composition. For<br />
example, the grain size is adjusted during rolling,<br />
while the crystalline structure is adjusted as the<br />
material cools on the cooling line.<br />
Bild / Figure 115<br />
Festigkeitsregelung über die Optimierung <strong>de</strong>r Kühlstrecken in Warmbandstraßen<br />
Strength control via optimisation of cooling zones in hot strip mills<br />
130 © VDEh-Betriebsforschungsinstitut GmbH
Measurement and Automation | Process and Plant Automation<br />
Standard Temperaturtrajektorien zur Einstellung<br />
<strong>de</strong>r Materialeigenschaften führen oft zu großen<br />
Unplanheiten. Umgekehrt wür<strong>de</strong> eine alleinige<br />
Konzentration auf die Planheit nicht die benötigten<br />
Materialeigenschaften liefern. Bild 115 b) ver<strong>de</strong>utlicht<br />
diese Problematik und stellt die Projekti<strong>de</strong>e,<br />
<strong>de</strong>r integrierten Regelung von Planheit und Materialeigenschaften,<br />
dar. Ziel <strong>de</strong>s Projektes ist also<br />
eine Temperaturtrajektorie im ZTU-Diagramm zu<br />
fin<strong>de</strong>n, die gleichzeitig gute Materialeigenschaften<br />
und eine gute Planheit liefert.<br />
In diesem Projekt wird <strong>de</strong>r Zusammenhang<br />
zwischen Planheit und Materialeigenschaften<br />
weiter untersucht. Es wird eine prozessstufenübergreifen<strong>de</strong><br />
Regelungsstrategie für Warm- und<br />
Kaltwalzwerke entworfen und umgesetzt, welche<br />
gleichzeitig die Planheit und die Materialeigenschaften<br />
optimiert. In Bild 115 (a) sind die bei<strong>de</strong>n<br />
Prozessstufen dargestellt.<br />
Das Betriebsforschungsinstitut hat hier <strong>de</strong>n<br />
Schwerpunkt <strong>de</strong>r Optimierungen auf <strong>de</strong>n Bereich<br />
vom Warmwalzwerk bis zur Beize gelegt. Die<br />
Prozessstufen vom Kaltwalzen bis zum Glühen<br />
bearbeiten an<strong>de</strong>re Projektpartner. Außer<strong>de</strong>m wird<br />
ein Modul entwickelt, welches die Kommunikation<br />
und Optimierung zwischen <strong>de</strong>n bei<strong>de</strong>n Bereichen<br />
ermöglicht.<br />
Es wer<strong>de</strong>n verschie<strong>de</strong>ne Mo<strong>de</strong>lle entwickelt, die<br />
das Verhalten <strong>de</strong>r Prozessstufen in ausreichen<strong>de</strong>r<br />
Genauigkeit beschreiben. Dieser integrierte Mo<strong>de</strong>llansatz<br />
bil<strong>de</strong>t die Basis für die schrittweise lernen<strong>de</strong><br />
Optimierungsstrategie, welche neben <strong>de</strong>n Tempera-<br />
Standard temperature trajectories to adjust the<br />
material properties often lead to pronounced<br />
flatness <strong>de</strong>viations. Conversely, concentrating<br />
on flatness alone would not <strong>de</strong>liver the required<br />
material properties. Fig. 115 b) illustrates this<br />
problem and explains the project i<strong>de</strong>a of integrating<br />
shape and material properties into one<br />
control strategy. The aim of the project is to find<br />
a temperature trajectory in the TTT diagram that<br />
simultaneously <strong>de</strong>livers good material properties<br />
and a good flatness.<br />
In this project, the relationship between flatness<br />
and material properties is being further<br />
investigated. The intention is to <strong>de</strong>sign and<br />
implement a through-process control strategy<br />
for hot and cold rolling mills that will be capable<br />
of optimising both flatness and material properties<br />
at the same time. Fig. 115 a) shows the two<br />
process stages.<br />
<strong>BFI</strong> is focusing on the optimisation from the hot<br />
rolling mill to the pickling line. The processes from<br />
cold rolling to annealing are being handled by<br />
other project partners. In addition, a module will<br />
be <strong>de</strong>veloped that will enable communication and<br />
optimisation between these two different areas.<br />
As part of the project, various mo<strong>de</strong>ls will be<br />
<strong>de</strong>veloped in or<strong>de</strong>r to <strong>de</strong>scribe the behaviour<br />
of the process stages with a sufficient level of<br />
accuracy. This integrated mo<strong>de</strong>lling approach<br />
forms the basis of the incrementally learning<br />
optimisation strategy which consi<strong>de</strong>rs not only<br />
the temperature trajectories of the cooling line<br />
Bild / Figure 116<br />
Ermittelte Walzkraftgrenzen in Abhängigkeit von Banddicke und Bandbreite.<br />
Roll force limits <strong>de</strong>termined as a function of strip thickness and width<br />
© VDEh-Betriebsforschungsinstitut GmbH<br />
131
Mess- und Automatisierungstechnik | Prozess- und Anlagenautomatisierung<br />
turtrajektorien <strong>de</strong>r Kühlstrecke auch die Planheitsstellglie<strong>de</strong>r<br />
<strong>de</strong>r Warmbandstraße mit einbezieht.<br />
but also the flatness control actuators of the hot<br />
rolling mill.<br />
Zukunftsweisen<strong>de</strong> Steuerung und Optimierung<br />
<strong>de</strong>s Kaltwalzprozesses für Reversiergerüste<br />
Wesentliche Kriterien für die Produktivität eines<br />
Gerüstes sowie für die Güte <strong>de</strong>s fertigen Produktes<br />
sind die Stichplangestaltung sowie die Auslegung<br />
<strong>de</strong>r Geometrie <strong>de</strong>r eingesetzten Walzen. Aktuelle<br />
Systeme verwen<strong>de</strong>n jedoch empirisch ermittelte<br />
Regeln, um Prozessgrößen wie Bandplanheit und<br />
die Bandqualität zu beschreiben. Die Auslegung von<br />
Walzengeometrien wird ebenfalls empirisch ermittelt.<br />
Future-oriented control and optimisation of the<br />
cold rolling process in reversing mills<br />
The productivity of a mill and the quality of the<br />
finished product are essentially <strong>de</strong>termined by two<br />
major factors: pass scheduling and the geometry<br />
of the rolls used. However, current systems use<br />
empirically <strong>de</strong>termined rules to <strong>de</strong>scribe process<br />
parameters such as strip flatness and quality.<br />
Roll geometry <strong>de</strong>sign is also based on empirical<br />
methods.<br />
Bild / Figure 117<br />
Beispielstichplan<br />
Sample pass schedule<br />
Bild / Figure 118<br />
Position <strong>de</strong>r Balligkeitsanstellung für eine typische Walzsituation. Istzustand (graue Balken); Balligkeit Antriebswalzen um 100 µm erhöht (rote<br />
Balken)<br />
Position of the roll crown adjustment in a typical rolling situation. Current position (grey bars); crown of driver rolls raised by 100 µm (red bars)<br />
132 © VDEh-Betriebsforschungsinstitut GmbH
Measurement and Automation | Process and Plant Automation<br />
Zur Berücksichtigung <strong>de</strong>r Bandplanheit wur<strong>de</strong><br />
vom <strong>BFI</strong> ein Programm entwickelt, welches anhand<br />
von gemessenen Prozessdaten diejenigen Walzkraftgrenzen<br />
ermittelt, bei <strong>de</strong>nen eine gute Bandplanheit<br />
gewährleistet ist. Die Ermittlung <strong>de</strong>r Walzkraftgrenzen<br />
erfolgt dabei unter Berücksichtigung <strong>de</strong>r<br />
Banddicke und Bandbreite <strong>de</strong>s Walzgutes sowie<br />
<strong>de</strong>r Stellbereichsgrenzen <strong>de</strong>r Planheitsstellglie<strong>de</strong>r<br />
(Bild 116).<br />
Durch Kenntnis <strong>de</strong>r Walzkraftgrenzen für eine<br />
bestimmte Banddicke können die Stichabnahmen<br />
<strong>de</strong>r einzelnen Stiche nun so gewählt wer<strong>de</strong>n, dass<br />
eine gute Bandplanheit in allen Stichen gewährleistet<br />
ist.<br />
Der Vorteil gegenüber empirisch ermittelten<br />
Grenzen ist die wesentlich höhere Flexibilität <strong>de</strong>s<br />
Systems, eine erheblich verbesserte Berücksichtigung<br />
<strong>de</strong>r Materialeigenschaften (weiches Material<br />
= hohe Stichabnahmen; hartes Material = kleine<br />
Stichabnahmen) sowie eine z.T. <strong>de</strong>utlich erhöhte<br />
Produktionsleistung bei bestimmten Bän<strong>de</strong>rn.<br />
Exemplarische Berechnungen haben gezeigt, dass<br />
eine Steigerung <strong>de</strong>r Produktionsleistung von 20 %<br />
erzielt wer<strong>de</strong>n kann.<br />
Um die praktische Anwendbarkeit <strong>de</strong>s neuen<br />
Berechnungsverfahrens zu prüfen, wur<strong>de</strong> eine Reihe<br />
von Walztests durchgeführt. Hierbei konnten alle<br />
Bän<strong>de</strong>r ohne Planheitsprobleme und ohne manuelle<br />
Korrekturen entsprechend <strong>de</strong>m berechneten<br />
Stichplan gewalzt wer<strong>de</strong>n (Beispielstichplan siehe<br />
Bild 117). <br />
Zur Optimierung <strong>de</strong>r Walzengeometrie wird zur<br />
Zeit ein Programm entwickelt, anhand <strong>de</strong>ssen <strong>de</strong>r<br />
Anwen<strong>de</strong>r <strong>de</strong>n Istzustand analysieren kann und<br />
die Möglichkeit erhält, die optimale Geometrie <strong>de</strong>r<br />
Walzen unter Berücksichtigung <strong>de</strong>r Produktpalette<br />
zu ermitteln. Im Falle von z.B. 20 Rollen-Walzwerken<br />
liegt hierbei <strong>de</strong>r Fokus bei <strong>de</strong>r Ermittlung <strong>de</strong>r i<strong>de</strong>alen<br />
Konuslänge und Konussteigung (bzw. Konusform)<br />
sowie bei <strong>de</strong>r Ermittlung <strong>de</strong>r i<strong>de</strong>alen Walzenballigkeit<br />
für die Antriebs- und Schleppwalzen.<br />
In Bild 118 ist beispielhaft dargestellt, wie sich die<br />
Position <strong>de</strong>r Balligkeitsanstellung für eine typische<br />
Walzsituation verbessert, wenn die Balligkeit <strong>de</strong>r<br />
Antriebswalzen um 100 µm erhöht wür<strong>de</strong>. Die<br />
grauen Balken zeigen dabei die aktuelle Balligkeitsanstellung,<br />
wobei hier bereits 40% <strong>de</strong>s verfügbaren<br />
(positiven) Stellbereiches benötigt wer<strong>de</strong>n. Durch die<br />
Erhöhung <strong>de</strong>r Balligkeit <strong>de</strong>r Antriebswalzen wür<strong>de</strong><br />
sich für diese typische Walzsituation eine neutrale<br />
© VDEh-Betriebsforschungsinstitut GmbH<br />
To take strip flatness into account, a program was<br />
<strong>de</strong>veloped which uses measured process data to<br />
<strong>de</strong>termine the roll force limits within which a good<br />
strip flatness is assured. The roll force limits are<br />
<strong>de</strong>termined by consi<strong>de</strong>ring the strip thickness and<br />
width of the rolling stock as well as the control range<br />
limits of the flatness control actuators (Fig. 116).<br />
Knowing the roll force limits for a particular strip<br />
thickness makes it possible to select the <strong>de</strong>gree<br />
of reduction in each individual pass to ensure<br />
that good strip flatness is achieved in all passes.<br />
Compared with empirically <strong>de</strong>termined limits,<br />
this approach results in a significantly more flexible<br />
system, much better consi<strong>de</strong>ration of the<br />
material properties (soft material = high <strong>de</strong>gree of<br />
reduction per pass; hard material = low <strong>de</strong>gree of<br />
reduction per pass), as well as a sometimes major<br />
boost in production output for certain kinds of<br />
strip. Sample calculations have shown that it is<br />
possible to reach a 20% increase in production<br />
output.<br />
In or<strong>de</strong>r to check the applicability of the new<br />
computing technique in the field, a number of<br />
rolling tests were conducted. All of the coils were<br />
rolled according to the computed pass schedule<br />
without any flatness problems and without any<br />
manual corrections (see sample pass schedule<br />
in Fig. 117).<br />
To optimise the roll geometry a program is being<br />
<strong>de</strong>veloped which will allow the user to analyse<br />
the actual status and also offer the possibility to<br />
<strong>de</strong>termine the optimal roll geometry for the respective<br />
product range. In the case of, for example,<br />
20-roll stands, the focus will be on i<strong>de</strong>ntifying<br />
the i<strong>de</strong>al taper length and taper pitch (or taper<br />
shape) and on i<strong>de</strong>ntifying the i<strong>de</strong>al roll crown<br />
for the driver and driven rolls.<br />
Fig. 118 shows an example of how the position<br />
of the roll crown adjustment improves in a<br />
typical rolling situation when the crown of the<br />
driver rolls has been increased by 100 µm. The<br />
grey bars show the current roll crown position;<br />
in this case it can be seen that 40% of the available<br />
(positive) adjustment range has already been<br />
used. In this typical rolling situation, increasing<br />
the crown of the driver rolls would result in a<br />
133
Mess- und Automatisierungstechnik | Prozess- und Anlagenautomatisierung<br />
Position für die Balligkeitsanstellung ergeben (rote<br />
Balken) und somit eine <strong>de</strong>utliche Erhöhung <strong>de</strong>s<br />
zur Verfügung stehen<strong>de</strong>n Stellbereiches. <br />
Die entwickelten Mo<strong>de</strong>lle und Metho<strong>de</strong>n sind<br />
bzw. wer<strong>de</strong>n zur Zeit in das <strong>BFI</strong>-Prozessoptimierungssystem<br />
(POS) integriert. Das <strong>BFI</strong>-Prozessoptimierungssystem<br />
wur<strong>de</strong> bereits weltweit an vielen<br />
Walzanlagen installiert und hat sich in <strong>de</strong>r Praxis<br />
bewährt.<br />
neutral position for roll crown adjustment (red<br />
bars) and thus significantly increase the available<br />
adjustment range.<br />
The <strong>de</strong>veloped mo<strong>de</strong>ls and methods have been<br />
or are currently being integrated into the <strong>BFI</strong><br />
process optimisation system (POS). The <strong>BFI</strong> process<br />
optimisation system has already been installed<br />
on many rolling mills around the world where<br />
it has proved its worth in practice.<br />
Entwicklung einer teilautomatisierten Biegerichtmaschine<br />
für plattenförmige Blechbauteile als<br />
geregeltes mechatronisches System<br />
Bei <strong>de</strong>r Fertigung plattenförmiger Bauteile können<br />
durch Wärmebehandlungen o<strong>de</strong>r das abschließen<strong>de</strong><br />
Zuschnei<strong>de</strong>n nach <strong>de</strong>m Walzen lokale plastische<br />
Verformungen entstehen. Die folgen<strong>de</strong> Begradigung<br />
dieser Unebenheiten durch <strong>de</strong>n Richtvorgang spielt<br />
daher eine wichtige Rolle.<br />
Der aktuelle, bei Industriepartner weitgehend<br />
manuell durchgeführte Richtprozess ist dabei kaum<br />
reproduzierbar, da er sehr von <strong>de</strong>r Erfahrung <strong>de</strong>s<br />
ausführen<strong>de</strong>n Mitarbeiters abhängt. Weiterhin ist<br />
<strong>de</strong>r Arbeitsvorgang mit schwerer körperlicher Arbeit<br />
und einem hohen Unfallpotential verbun<strong>de</strong>n. Man<br />
kann sich außer<strong>de</strong>m vorstellen, dass <strong>de</strong>r manuelle<br />
Richtvorgang bei dieser Richtanlage die Größe <strong>de</strong>r<br />
plattenförmigen Bauteile beschränkt. In Bild 119<br />
ist die CAD-Zeichnung <strong>de</strong>r Richtanlage mit <strong>de</strong>m<br />
Richtkoordinatensystem zu sehen.<br />
Eine Teilautomatisierung <strong>de</strong>s Richtvorgangs ermöglicht<br />
die Einhaltung <strong>de</strong>r zulässigen Formabweichungen<br />
Development of a partially automated straightening<br />
machine for plate-shaped metal components<br />
as a mechatronic system with closed-loop control.<br />
When plate-shaped components are produced,<br />
plastic <strong>de</strong>formations may arise as a result of heat<br />
treating or cutting to size after rolling. The subsequent<br />
straightening process to eliminate such<br />
<strong>de</strong>formations is therefore of key importance.<br />
The largely manual straightening process<br />
currently in place at industrial partner is hardly<br />
reproducible since it <strong>de</strong>pends very much on the<br />
experience of the machine operator actually<br />
performing the job. Moreover, the operation<br />
involves strenuous physical work with a high<br />
acci<strong>de</strong>nt risk. It is also easy to imagine that manual<br />
straightening on this machine will restrict the size<br />
of the plate-shaped components. Fig. 119 shows<br />
the CAD drawing of the straightening machine<br />
with its coordinate system.<br />
Partial automation of the straightening procedure<br />
will make it possible to keep within the shape<br />
Bild / Figure 119<br />
Topographiedaten einer Platte nach <strong>de</strong>m ersten (links) und nach <strong>de</strong>m letzten Richtvorgang (rechts)<br />
Topographical data of a plate after the first (left) and after the final (right) straightening process<br />
134 © VDEh-Betriebsforschungsinstitut GmbH
Measurement and Automation | Process and Plant Automation<br />
<strong>de</strong>r Bleche unabhängig von <strong>de</strong>n „handwerklichen“<br />
Fähigkeiten und <strong>de</strong>r „Tagesform“ <strong>de</strong>s Mitarbeiters<br />
und reduziert <strong>de</strong>n Anteil <strong>de</strong>r körperlichen Arbeit.<br />
Eine Sortimentsvergrößerung, mit <strong>de</strong>r Möglichkeit<br />
größere Platten zu verarbeiten, ist auch <strong>de</strong>nkbar.<br />
Die vom <strong>BFI</strong> und <strong>de</strong>m Industriepartner erarbeitete<br />
Lösung umfasst die Implementierung zweier<br />
Regelkreise. Das <strong>BFI</strong> beschäftigt sich mit <strong>de</strong>r Adaption<br />
einer automatisierten Richtstrategie, <strong>de</strong>m<br />
Technologieregelkreis.<br />
Ein TopPlan®-Messsystem übergibt <strong>de</strong>m Technologieregelkreis<br />
am Anfang je<strong>de</strong>s Richtvorgangs die<br />
Topographiedaten <strong>de</strong>r aktuellen Platte. Auf Grundlage<br />
dieser Daten, wird die optimale Richtstrategie<br />
gewählt.<br />
In Bild 120 sind die von TopPlan® erfassten Topographiedaten<br />
in Falschfarbendarstellung einer<br />
Platte zu sehen. Diese wird virtuell vom restlichen<br />
Hintergrund separiert und im Koordinatensystem<br />
<strong>de</strong>s Richttisches dargestellt. Die Aufnahme im linken<br />
Teilbild zeigt die Platte vor <strong>de</strong>m ersten Stempelvorgang.<br />
Auf <strong>de</strong>m rechten Teilbild ist dieselbe Platte<br />
nach 31 Stempelvorgängen zu sehen. Dabei wer<strong>de</strong>n<br />
negative (blau) o<strong>de</strong>r positive (rot) Abweichungen<br />
von <strong>de</strong>r TopPlan® Referenzebene einfach sichtbar.<br />
Der Richtvorgang sollte also erst been<strong>de</strong>t wer<strong>de</strong>n,<br />
wenn die Gesamtabweichungen <strong>de</strong>r Platte im grünen<br />
o<strong>de</strong>r leicht gelb bis türkisen Bereich liegt, um die<br />
vorgegebenen Toleranzgrenzen einzuhalten.<br />
Die Nummern im Zusammenspiel mit <strong>de</strong>n Kreisen,<br />
die auf <strong>de</strong>r Platte sichtbar sind, symbolisieren die<br />
tolerances for the plates irrespective of employees’<br />
“workmanship skills” and “form on the day” as<br />
well as reducing the amount of physical work<br />
required. It is also conceivable that the size range<br />
of processable parts could be expan<strong>de</strong>d.<br />
The solution <strong>de</strong>vised by <strong>BFI</strong> and the indsutrial<br />
partner inclu<strong>de</strong>s the implementation of two control<br />
loops. <strong>BFI</strong> will focus on adapting an automatic<br />
straightening strategy, the technology control loop.<br />
A TopPlan® measuring system supplies topographical<br />
data of the current plate to the technology<br />
control loop at the beginning of each<br />
straightening procedure. The optimal straightening<br />
strategy is chosen on the strength of these data.<br />
Fig. 120 shows a false-colour image of the topographical<br />
data of a plate as recor<strong>de</strong>d by TopPlan®.<br />
This is separated from the remaining background<br />
and visualised in the coordinate system of the<br />
straightening table. The scan on the left shows<br />
the plate before the first straightening ram pass.<br />
The right-hand illustration shows the same plate<br />
after 31 straightening ram passes. Negative (blue)<br />
or positive (red) <strong>de</strong>viations from the TopPlan®<br />
reference plane are easily visible. To comply with<br />
the specified tolerance limits, the straightening<br />
process should be continued until all <strong>de</strong>viations<br />
in the plate are in the green or slightly yellow<br />
to turquoise range.<br />
The numbers and the circles that can be seen<br />
on the plate symbolise the positions of the ram<br />
Bild / Figure 120<br />
Biegerichtmaschine mit Ebenheitsmesssystem<br />
Straightening machine with coordinate system<br />
© VDEh-Betriebsforschungsinstitut GmbH<br />
135
Mess- und Automatisierungstechnik | Prozess- und Anlagenautomatisierung<br />
Positionen <strong>de</strong>r noch zu tätigen (rot) und schon<br />
getätigten (grün) Stempelvorgänge. Ein manueller<br />
Eingriff bzw. Richtprozess ist trotz<strong>de</strong>m möglich.<br />
Dieser erfolgt weiterhin bei sehr stark verformten<br />
Platten.<br />
Dabei unterstützt eine LabView-Oberfläche <strong>de</strong>n<br />
Mitarbeiter visuell. Sie zeigt die aktuelle Stempelposition,<br />
sowie die momentane Plattentopographie an.<br />
passes still to be executed (red) and those that<br />
have already been performed (green). Manual<br />
intervention in the straightening process is nevertheless<br />
possible, and this is still done in the case<br />
of excessively <strong>de</strong>formed plates.<br />
Here, a LabView user interface provi<strong>de</strong>s visual<br />
support for the machine operator. It shows the<br />
current ram position as well as the current plate<br />
topography.<br />
Objekterkennung auf <strong>de</strong>r Basis von Bild- bzw.<br />
Vi<strong>de</strong>oauswertungen<br />
Mo<strong>de</strong>rne Metho<strong>de</strong>n aus <strong>de</strong>m Bereich <strong>de</strong>r intelligenten<br />
Bildauswertung wer<strong>de</strong>n in verschie<strong>de</strong>nen<br />
Projekten <strong>de</strong>s <strong>BFI</strong> zur Zustands-, Positions- o<strong>de</strong>r<br />
allgemein zur Datenerfassung angewandt. In<br />
<strong>de</strong>r stahlverarbeiten<strong>de</strong>n Industrie wer<strong>de</strong>n diese<br />
Systeme in erster Linie an Orten verwen<strong>de</strong>t, an<br />
<strong>de</strong>nen aufgrund <strong>de</strong>r Messaufgabe <strong>de</strong>r Einsatz an<strong>de</strong>rer<br />
Sensoren nicht möglich ist.<br />
So wur<strong>de</strong> z.B. in einem Projekt eine Erkennung<br />
<strong>de</strong>r Position von Brammen innerhalb eines Wärmofens<br />
entwickelt. Die Vi<strong>de</strong>osignale zweier optischer<br />
Kameras wer<strong>de</strong>n permanent und in Echtzeit ausgewertet<br />
und daraus die genaue Position innerhalb<br />
<strong>de</strong>s Ofens berechnet. Mit <strong>de</strong>r Hilfe dieser Auswertung<br />
können Schä<strong>de</strong>n am Ofen durch <strong>de</strong>n manuell<br />
gesteuerten Eintrag neuer Brammen vermie<strong>de</strong>n<br />
wer<strong>de</strong>n.<br />
In einem weiteren Projekt wur<strong>de</strong> die Güte einer<br />
Entzun<strong>de</strong>rungsanlage untersucht. Dazu musste das<br />
Object recognition based on image and vi<strong>de</strong>o<br />
analysis<br />
Mo<strong>de</strong>rn methods of intelligent image analysis<br />
are used in various projects of <strong>BFI</strong> for recording<br />
condition, position or data in general. In the steel<br />
processing industry, these systems are primarily<br />
employed in locations where the use of conventional<br />
sensors is not possible because of the type<br />
of measuring task.<br />
In one project, for example, a system for <strong>de</strong>tecting<br />
the position of slabs within a reheating furnace<br />
was <strong>de</strong>veloped. The vi<strong>de</strong>o signals of two optical<br />
cameras are analysed permanently and in real<br />
time, allowing the precise position within the<br />
furnace to be computed. This analysis makes<br />
it possible to avoid damage to the furnace as a<br />
result of the manually controlled introduction<br />
of new slabs.<br />
A further project studied the performance of<br />
a <strong>de</strong>scaling plant. This involved quantification<br />
Bild / Figure 121<br />
Vi<strong>de</strong>obil<strong>de</strong>r heißer Brammen kurz nach <strong>de</strong>r Entzun<strong>de</strong>rung, links: Segmentierung großflächiger Zun<strong>de</strong>rflächen, rechts Verteilung kleiner Zun<strong>de</strong>rstellen<br />
Vi<strong>de</strong>o images of hot slabs shortly after <strong>de</strong>scaling, left: segmentation of large-area black patches, right: distribution of smaller black patches<br />
136 © VDEh-Betriebsforschungsinstitut GmbH
Measurement and Automation | Process and Plant Automation<br />
Entzun<strong>de</strong>rungsergebnis quantifiziert wer<strong>de</strong>n. Es<br />
wur<strong>de</strong> eine Vi<strong>de</strong>obildauswertung entwickelt, die<br />
Zun<strong>de</strong>rflecken auf <strong>de</strong>r heißen Bramme erkennt<br />
und <strong>de</strong>ren Größe, bzw. Fläche, sowie <strong>de</strong>ren Position<br />
auf <strong>de</strong>r Bramme berechnet (siehe Bild 121). Durch<br />
Analyse dieser Daten kann eine Entzun<strong>de</strong>rung<br />
materialspezifisch optimiert wer<strong>de</strong>n.<br />
of the <strong>de</strong>scaling results. A vi<strong>de</strong>o image evaluation<br />
was <strong>de</strong>veloped that <strong>de</strong>tects black patches<br />
on the hot slab and computes the size or area of<br />
the patches and their location on the slab (see<br />
Fig. 121). By analysing these data, the <strong>de</strong>scaling<br />
process can be optimised for each specific material.<br />
Analyse und Optimierung <strong>de</strong>r Performance von<br />
Regelkreisen zur Erhöhung <strong>de</strong>r Produktqualität<br />
und Reduzierung <strong>de</strong>s Energieverbrauches<br />
Das Potential von Produktionsanlagen lässt sich<br />
häufig durch optimierte Regelungen erschließen.<br />
Dazu bietet sich die fortlaufen<strong>de</strong> Überwachung<br />
und Beurteilung <strong>de</strong>r Performance <strong>de</strong>r eingesetzten<br />
Regler. Durch eine Parameternachstellung <strong>de</strong>r<br />
Basis- und <strong>de</strong>r Prozessregelungen lassen sich als<br />
Erfahrungswert zwischen 10 und 30% Verbesserung<br />
erreichen. Auf Basis von Benchmarks (d.h.<br />
optimal eingestellten Regelkreisen) können auch<br />
wirtschaftlich abgesicherte Entscheidungen über die<br />
Einführung neuer Reglerstrukturen (z. B. mo<strong>de</strong>llprädiktive<br />
Regelungen) getroffen wer<strong>de</strong>n (Bild 122).<br />
Das <strong>BFI</strong> verfügt über Verfahren und Werkzeuge<br />
zur Regelkreisüberwachung (Control Performance<br />
Analysis and optimisation of the performance<br />
of control loops to enhance product quality and<br />
reduce energy consumption<br />
The potentials of production equipment can<br />
often be utilized more fully by improving the<br />
performance of closed-loop control systems.<br />
This is best done by continuously monitoring<br />
and assessing the performance of the controllers<br />
used. Experience has shown that by readjusting<br />
the parameters in the basic and process control<br />
systems it is possible to achieve a 10 to 30 %<br />
improvement. Benchmarks, i.e., optimally adjusted<br />
control loops, can also be used to support <strong>de</strong>cisions<br />
(including economic ones) regarding the<br />
introduction of new controller structures (e.g.,<br />
mo<strong>de</strong>l-predictive control systems) (Fig. 122).<br />
<strong>BFI</strong> has methods and tools for control performance<br />
monitoring which can be used to eval-<br />
Bild / Figure 122<br />
Prozedur zur datenbasierten Analyse und Optimierung <strong>de</strong>r Performance von Regelkreisen<br />
Procedure for data driven analyses and optimisation of the performance of control loops<br />
© VDEh-Betriebsforschungsinstitut GmbH<br />
137
Mess- und Automatisierungstechnik | Qualitäts- und Informationstechnik<br />
Monitoring), mit <strong>de</strong>nen die Bewertungen <strong>de</strong>r Regelgüten<br />
für gelieferte Stichproben von Daten ermittelt<br />
wer<strong>de</strong>n. Daraus können Vorschläge zur Verbesserung<br />
<strong>de</strong>r Reglerperformance erarbeitet wer<strong>de</strong>n. Mit dieser<br />
Vorgehensweise wur<strong>de</strong>n bereits Performanceanalysen<br />
von Dicken- und Planheitsregelungen in Kaltwalztan<strong>de</strong>m-<br />
und Dressierstraßen, von Temperaturregelungen<br />
in Glühlinien und Kühlstrecken und von einer<br />
Treiberregelung durchgeführt. Die vorgeschlagenen<br />
Verbesserungsmaßnahmen wur<strong>de</strong>n umgesetzt und<br />
führten zu Qualitätserhöhungen und Energieeinsparungen<br />
an <strong>de</strong>n entsprechen<strong>de</strong>n Anlagen.<br />
uate the control performance for random data<br />
sample and <strong>de</strong>rive proposals for improving the<br />
performance of the controllers. This approach<br />
has already been used to conduct performance<br />
analyses on gauge and flatness control systems<br />
in tan<strong>de</strong>m cold rolling and temper rolling mills,<br />
as well as on temperature control systems in<br />
annealing and cooling lines and on a driver control<br />
system. The proposed improvement measures<br />
are currently been implemented and have led<br />
to quality enhancement and energy saving at the<br />
respective plants.<br />
Entwicklung eines integrierten Überwachungsund<br />
Lenkungssystems für Anlage, Prozess und<br />
Produktqualität beim Stranggießen<br />
Durch die enge Verzahnung <strong>de</strong>r Prozessketten<br />
in <strong>de</strong>r Stahlindustrie müssen auch Qualitätssicherungssysteme<br />
diesem Umstand Rechnung tragen.<br />
Daher wer<strong>de</strong>n in einem laufen<strong>de</strong>n Forschungsvorhaben<br />
die verschie<strong>de</strong>nen Aspekte bearbeitet,<br />
die für integrierte, prozessstufenübergreifen<strong>de</strong><br />
Qualitätssicherungssysteme an Stranggießanlagen<br />
notwendig sind. Durch die intelligente Auswertung<br />
von Prozess- und Anlagendaten beim Strangguss<br />
und die Verknüpfung mit Daten und Informationen<br />
vorhergehen<strong>de</strong>r Prozessstufen wer<strong>de</strong>n die<br />
Stranggussprodukte hinsichtlich verschie<strong>de</strong>ner<br />
Qualitätsmerkmale online bewertet und somit die<br />
Grundlage für eine stück- und zustandsangepasste<br />
Development of an integrated supervision and<br />
steering system for plant, process and product<br />
quality during continuous casting<br />
Process chains in the steel industry are closely<br />
intermeshed, and quality assurance systems have<br />
to take account of this fact. An ongoing research<br />
project is therefore looking into the various aspects<br />
that are required for integrated, through-process<br />
quality assurance systems in continuous casting<br />
plants. Through intelligent evaluation of process<br />
and plant data during continuous casting and<br />
linking these with data and information from<br />
upstream process stages, continuous casting products<br />
are evaluated online according to different<br />
quality features, thus creating a basis for unit- and<br />
condition-specific post treatment and processing.<br />
The necessary strategies to assure data reliability<br />
Bild / Figure 123<br />
Verarbeitsungskette <strong>de</strong>s neuen integrierten, Prozess-, Anlagen- und Qualitätsüberwachungssystems<br />
Workflow of the new integrated process, plant and quality supervision system<br />
138 © VDEh-Betriebsforschungsinstitut GmbH
Measurement and Automation | Quality and Information Technology<br />
Nachbehandlung und Verarbeitung geschaffen.<br />
Notwendige Konzepte zur Datensicherheit (z.B. multivariate<br />
Plausibilitätsprüfung) und Mo<strong>de</strong>llansätze zur<br />
Qualitätsbewertung (z.B. statistisch, mo<strong>de</strong>ll- und<br />
regelbasiert) wer<strong>de</strong>n entwickelt und getestet.<br />
Bild 123 zeigt schematisch die Vorgehensweise,<br />
bei <strong>de</strong>r <strong>de</strong>r untersuchte Schwerpunkt Strangguss<br />
eingebettet ist in eine Kette mit <strong>de</strong>n sekundärmetallurgischen<br />
Prozessen und <strong>de</strong>n nachgeschalteten<br />
Prozessen <strong>de</strong>r Brammen- bzw. Knüppelnachbearbeitung<br />
und Weiterverarbeitung im Walzwerk.<br />
(e.g. multivariate plausibility checks) and mo<strong>de</strong>l<br />
approaches for quality assessment (e.g. statistical,<br />
mo<strong>de</strong>l- and rule-based) are being <strong>de</strong>veloped and<br />
tested.<br />
Fig. 123 gives a schematic overview of the<br />
approach showing continuous casting (the main<br />
focus of the investigations) embed<strong>de</strong>d in a chain<br />
with upstream secondary metallurgy processes and<br />
the downstream processes of slab or billet treatment<br />
and further processing in the rolling mill.<br />
Verbesserte Überwachung und Steuerung <strong>de</strong>r<br />
Oberflächenqualität von Flachstahl durch Nutzung<br />
<strong>de</strong>r Ergebnisse von automatischen Oberflächeninspektionssystemen<br />
Die optimale Nutzung <strong>de</strong>r Ergebnisse von automatischen<br />
Oberflächeninspektionssystemen scheitert<br />
heutzutage teilweise noch an <strong>de</strong>r Unzuverlässigkeit<br />
<strong>de</strong>r Ergebnisdaten. In <strong>de</strong>m hier vorgestellten<br />
Forschungsprojekt sollen nun zunächst Metho<strong>de</strong>n<br />
und Verfahren zur kontinuierlichen Überwachung<br />
<strong>de</strong>r Leistung <strong>de</strong>r gesamten Verarbeitungskette <strong>de</strong>r<br />
Oberflächeninspektion (Beleuchtung, Kamera,<br />
Fehler<strong>de</strong>tektion, Fehlerklassifikation, etc.) entwickelt<br />
und getestet wer<strong>de</strong>n. Die Ergebnisse einer solchen<br />
Überwachung wer<strong>de</strong>n im online Fall entwe<strong>de</strong>r zur<br />
Ableitung von Instandhaltungsmaßnahmen z.B.<br />
Improved monitoring and control of the surface<br />
quality of flat steel by using the results of<br />
automatic surface inspection systems<br />
The results of automatic surface inspections<br />
cannot always be used in an optimal manner<br />
today because of the unreliability of some of<br />
the results obtained. In the research project<br />
presented here, the first step will be to <strong>de</strong>velop<br />
and test methods and techniques for continuously<br />
monitoring the performance of the entire<br />
surface inspection processing chain (lighting,<br />
camera, <strong>de</strong>fect <strong>de</strong>tection, <strong>de</strong>fect classification,<br />
etc.). The results of this monitoring, if performed<br />
online, will be used either to <strong>de</strong>termine necessary<br />
maintenance measures, e.g. realignment of the<br />
Bild / Figure 124<br />
Konzept zur automatischen Ursachenanalyse über mehrere Prozessstufen mit drei Inspektionssystemen<br />
Concept for automatic root cause analysis across several process steps with three inspec-tion systems<br />
© VDEh-Betriebsforschungsinstitut GmbH<br />
139
Mess- und Automatisierungstechnik | Qualitäts- und Informationstechnik<br />
<strong>de</strong>r Neuausrichtung <strong>de</strong>r Beleuchtung o<strong>de</strong>r zur<br />
Anpassung <strong>de</strong>r Berechnungsalgorithmen, z.B. <strong>de</strong>s<br />
Fehlerklassifikators, herangezogen.<br />
Basierend auf <strong>de</strong>n nun zuverlässigeren Daten<br />
wer<strong>de</strong>n geeignete Key Performance Indices (KPI) <strong>de</strong>r<br />
Oberflächenqualität sowohl für je<strong>de</strong> Einzelanlage als<br />
auch für die gesamte Anlagenkette berechnet. Diese<br />
KPI’s bil<strong>de</strong>n dann die Grundlage für verschie<strong>de</strong>ne<br />
Anwendungen zur Optimierung <strong>de</strong>r Oberflächenqualität:<br />
Überwachung und <strong>Report</strong>ing, Fehlerursachenanalyse,<br />
Prozess- und Anlagenoptimierung<br />
und verbesserte Materialzuteilung.<br />
In <strong>de</strong>m Projekt wur<strong>de</strong>n zunächst bestehen<strong>de</strong><br />
Konzepte <strong>de</strong>r Hersteller von Oberflächeninspektionensystemen<br />
erfasst und für die Datenauswertung<br />
nutzbar gemacht. Ein wesentliches Ziel hierbei ist die<br />
Zuordnung von OIS-Statusinformationen zu je<strong>de</strong>m<br />
einzelnen Inspektionsergebnis, da nur hierdurch<br />
die automatische Nutzung zuverlässiger Daten<br />
gewährleistet wer<strong>de</strong>n kann. Neben <strong>de</strong>n bestehen<strong>de</strong>n<br />
Lösungen wur<strong>de</strong>n auch neue Verfahren entwickelt,<br />
die in <strong>de</strong>r Lage sind, Probleme bei <strong>de</strong>r Inspektion<br />
aufzuzeigen. Die berechneten Oberflächen-KPI sind<br />
produktiv im Einsatz und ermöglichen bereits jetzt<br />
schneller und zielgerichteter auf Qualitätsprobleme<br />
reagieren zu können, als es bisher <strong>de</strong>r Fall war.<br />
Aufbauend auf diesen Ergebnissen, wird das <strong>BFI</strong><br />
ein System zur automatischen Ursachenanalyse<br />
implementieren, siehe Bild 124.<br />
lighting, or to adapt the calculation algorithms,<br />
e.g. for the <strong>de</strong>fect classifier.<br />
Based on the now more reliable data, suitable key<br />
performance indices (KPIs) for surface quality will<br />
be calculated for each individual installation and<br />
for the entire machinery and equipment chain.<br />
These KPIs will then form the basis for different<br />
applications geared to the improvement of surface<br />
quality: monitoring and reporting, <strong>de</strong>fect cause<br />
analysis, process and equipment optimisation,<br />
and improved allocation of materials.<br />
Project work initially focused on recording<br />
existing strategies of the manufacturers of the<br />
surface inspection systems and making these<br />
usable for data evaluation. One major objective<br />
here is the allocation of SIS status information<br />
to each individual inspection result, as this is<br />
the only way of assuring the automatic use of<br />
reliable data. Alongsi<strong>de</strong> the existing solutions,<br />
new techniques capable of i<strong>de</strong>ntifying problems<br />
occurring during inspection were <strong>de</strong>veloped.<br />
The calculated surface KPIs are being used in<br />
a production environment and already enable<br />
the staff to respond faster and more effectively<br />
to quality problems than in the past. Building<br />
on these results, <strong>BFI</strong> will implement a system<br />
for automatic root cause analysis, see Fig. 124.<br />
Integrierte, automatisierte und multi-variate<br />
SPC-Lösung für die Prozessindustrie am Beispiel<br />
von Bandmaterial<br />
Statistische Prozessregelung (= Statistical Process<br />
Control, SPC) ist in <strong>de</strong>r Industrie eine Standardtechnik<br />
<strong>de</strong>r Qualitätssicherung und es wer<strong>de</strong>n eine<br />
Vielzahl von Softwarepaketen hierzu angeboten.<br />
Dennoch gibt es kein System, dass die Aspekte <strong>de</strong>r<br />
Prozessindustrie und hier speziell <strong>de</strong>r Stahlindustrie<br />
ausreichend berücksichtigt. Die Grün<strong>de</strong> hierfür<br />
liegen einerseits in <strong>de</strong>r sehr unterschiedlichen<br />
Charakteristik <strong>de</strong>r Prozesse <strong>de</strong>r Stahlproduktion (von<br />
sehr langsamen verfahrenstechnischen Prozessen bis<br />
hin zu Fertigungsprozessen und extrem schnellen<br />
Vorgängen im Bereich <strong>de</strong>s Walzens) sowie <strong>de</strong>r<br />
großen Variationsbreite <strong>de</strong>r Qualitätsmerkmale<br />
von Zwischen- und Endprodukten. Außer<strong>de</strong>m<br />
kommt hinzu, dass in <strong>de</strong>r Stahlindustrie in <strong>de</strong>n<br />
letzten Jahren neue Systeme zur Qualitätssicherung<br />
entwickelt wor<strong>de</strong>n sind, ein Beispiel hierfür ist die<br />
prozessnahe Entscheidungsunterstützung, die beim<br />
Einsatz von SPC-Techniken zu berücksichtigen sind.<br />
Ziel <strong>de</strong>s Vorhabens ist die Entwicklung von<br />
Integrated, automated and multivariate SPC<br />
solution for the process industry as exemplified<br />
in the case of strip material<br />
Statistical process control (SPC) is a standard<br />
quality assurance technique in industry and is<br />
offered in a large variety of software packages.<br />
Nevertheless, there is no system that a<strong>de</strong>quately<br />
covers the specific aspects of the process industry,<br />
and more particularly, the steel industry. The<br />
reasons for this lie on the one hand in the wi<strong>de</strong>ly<br />
varying characteristics of steelmaking processes<br />
(from very slow chemical processes through to<br />
very fast forming and fabrication processes, such<br />
as in rolling) and, on the other hand, in the very<br />
broad spectrum of quality features between the<br />
intermediate and the end products. Furthermore,<br />
new quality assurance systems have been <strong>de</strong>veloped<br />
in the steel industry in recent years. One example<br />
of this is processrelated <strong>de</strong>cision support, which<br />
also requires to be taken into consi<strong>de</strong>ration when<br />
using SPC techniques.<br />
The aim of the project is to <strong>de</strong>velop methods<br />
to improve SPC and to combine it with <strong>de</strong>cision<br />
140 © VDEh-Betriebsforschungsinstitut GmbH
Measurement and Automation | Quality and Information Technology<br />
Metho<strong>de</strong>n zur Verbesserung <strong>de</strong>r SPC und <strong>de</strong>ren<br />
Kombination mit Verfahren <strong>de</strong>r Entscheidungsunterstützung<br />
zu einem übergeordneten Qualitätssicherungssystem<br />
für die Prozessindustrie. Aufgabe<br />
<strong>de</strong>s zu entwickeln<strong>de</strong>n Systems ist die Unterstützung<br />
<strong>de</strong>r Anlagenbediener und <strong>de</strong>r Produktionsverantwortlichen.<br />
Die Kernpunkte <strong>de</strong>r technologischen<br />
Entwicklung sind<br />
– die Erweiterung <strong>de</strong>r klassischen SPC um die<br />
Möglichkeiten sowohl multi-variate Merkmale<br />
zu <strong>de</strong>finieren, automatisch zu berechnen und<br />
mit Hilfe einer Regelkarte zu überwachen als<br />
auch eine multi-variate Überwachung einer<br />
Kombination von Merkmalen,<br />
– <strong>de</strong>n Betreiber <strong>de</strong>s zu entwickeln<strong>de</strong>n Systems bei<br />
<strong>de</strong>r Erstellung <strong>de</strong>r Regelkarten zu unterstützen,<br />
in<strong>de</strong>m die notwendigen Voraussetzungen für<br />
die Anwendung <strong>de</strong>r SPC automatisch überprüft<br />
wer<strong>de</strong>n sowie die Parameter <strong>de</strong>r Regelkarten<br />
anhand von historischen Daten automatisch<br />
berechnet wer<strong>de</strong>n.<br />
Bild 125 zeigt die Struktur <strong>de</strong>s zu entwickeln<strong>de</strong>n<br />
Qualitätssicherungssystems.<br />
support techniques in or<strong>de</strong>r to create a higher<br />
level quality assurance system for the process<br />
industry. The system to be <strong>de</strong>veloped will have the<br />
task of supporting plant operators and production<br />
managers. The core features of the technological<br />
<strong>de</strong>velopment are:<br />
– Expansion of classical SPC by adding options<br />
for <strong>de</strong>fining multivariate features, calculating<br />
them automatically and monitoring them with<br />
the help of a rule card, as well multivariate<br />
monitoring of a combination of features,<br />
– Supporting the users of the future systems<br />
in creating the rule cards by automatically<br />
checking the necessary conditions for application<br />
of SPC, and automatically calculating<br />
the parameters for the rule cards on the basis<br />
of historical data.<br />
Fig.125 shows the structure of the quality<br />
assurance system which is to be <strong>de</strong>veloped.<br />
Bild / Figure 125<br />
Struktur <strong>de</strong>s zu entwickeln<strong>de</strong>n Qualitätssicherungssystems<br />
Structure of the quality assurance system to be <strong>de</strong>veloped<br />
© VDEh-Betriebsforschungsinstitut GmbH<br />
141
Mess- und Automatisierungstechnik | Qualitäts- und Informationstechnik<br />
Kontinuierliche Optimierung von Prozessen und<br />
Anlagen <strong>de</strong>r industriellen Produktion durch die<br />
automatische Wie<strong>de</strong>rerkennung von Prozesssituationen<br />
anhand hochaufgelöster Anlagen- und<br />
Prozessdaten<br />
Bei vielen technischen Prozessen <strong>de</strong>r industriellen<br />
Produktion wer<strong>de</strong>n heutzutage die für <strong>de</strong>n Prozess<br />
maßgeblichen Messgrößen mit sehr hoher Auflösung<br />
abgetastet und digital gespeichert. Bei „schnellen“<br />
Prozessen be<strong>de</strong>utet „hohe Auflösung“ hierbei, dass<br />
Abtastraten im Bereich von zweistelligen kHz erreicht<br />
wer<strong>de</strong>n können. Eine beson<strong>de</strong>re Herausfor<strong>de</strong>rung<br />
ist die gleichzeitige und wirklich zeit-synchrone<br />
Aufnahme einer Vielzahl von Messgrößen durch die<br />
Messdatenerfassungssoftware. Nur auf diese Weise<br />
können bei <strong>de</strong>r späteren Auswertung <strong>de</strong>r Daten die<br />
korrekten Rückschlüsse auf Ereignisse im Prozess<br />
und auf Abhängigkeiten <strong>de</strong>r Messgrößen untereinan<strong>de</strong>r<br />
getroffen wer<strong>de</strong>n. Außer<strong>de</strong>m müssen die<br />
erfassten Daten ein<strong>de</strong>utig <strong>de</strong>n Produkten zugeordnet<br />
und über lange Zeiträume gespeichert wer<strong>de</strong>n. Für<br />
die Anwen<strong>de</strong>r von Messdatenerfassungssystemen<br />
ergibt sich oftmals die Aufgabe, das Auftreten einer<br />
Anomalie in <strong>de</strong>n aktuellen Signalverläufen in <strong>de</strong>n<br />
historischen Daten zu suchen und zu i<strong>de</strong>ntifizieren.<br />
Durch das Auffin<strong>de</strong>n ähnlicher Vorkommnisse in <strong>de</strong>r<br />
Vergangenheit lassen sich Rückschlüsse auf etwaige<br />
Ursachen o<strong>de</strong>r auf Reaktionen ziehen, die in <strong>de</strong>r<br />
Vergangenheit zu einer Lösung <strong>de</strong>s Problems führten.<br />
Continuous optimisation of industrial production<br />
processes and plants through automatic<br />
recognition of process situations based on<br />
highly resolved plant and process data<br />
In many technical processes in industrial<br />
production, the measurement variables of<br />
key importance for the process are sampled<br />
or scanned with high resolution and saved in<br />
digital form. In “fast” processes, “high resolution”<br />
means that the sampling rates can reach the<br />
two-digit kHz range. A special challenge is the<br />
simultaneous and actually time-synchronous<br />
recording of a large number of variables by the<br />
measured value acquisition software. This is the<br />
only way to reach the correct conclusions about<br />
events in the process and inter<strong>de</strong>pen<strong>de</strong>ncies<br />
between the measurement variables when later<br />
evaluating the data. Moreover, the data recor<strong>de</strong>d<br />
must be unambiguously assigned to the products<br />
and stored for long periods of time. Users of measured<br />
value acquisition systems are often faced<br />
with the task of searching historical data in or<strong>de</strong>r<br />
to try and locate an anomaly that is currently<br />
also evi<strong>de</strong>nt in signal profiles. If similar events<br />
are found in the past data, conclusions can be<br />
drawn about possible causes or about reactions<br />
that have helped to solve the problem in the past.<br />
Bild / Figure 126<br />
Wie<strong>de</strong>rerkennung von Prozesssituationen in hochaufgelösten Prozessdaten<br />
Recognition of process states in high-resolution data bases<br />
142 © VDEh-Betriebsforschungsinstitut GmbH
Measurement and Automation | Quality and Information Technology<br />
Im Rahmen eines Forschungsprojektes wird das<br />
<strong>BFI</strong> Konzepte und Metho<strong>de</strong>n prüfen und anwen<strong>de</strong>n,<br />
die eine schnelle Suche von durch <strong>de</strong>n Anwen<strong>de</strong>r<br />
vorgegebenen Signalmustern in großen Datenbanken<br />
durchführt. Dabei muss eine ausreichen<strong>de</strong><br />
Genauigkeit <strong>de</strong>r Übereinstimmung von gegebenem<br />
Muster und <strong>de</strong>n Fundstellen gewährleistet sein.<br />
Durch die Referenz auf in <strong>de</strong>r Vergangenheit aufgetretenen,<br />
ähnlichen Prozesssituationen und die<br />
damalig getätigten Reaktionen soll so eine optimierte<br />
Behandlung <strong>de</strong>r vorliegen<strong>de</strong>n Anomalie<br />
unterstützt wer<strong>de</strong>n, siehe Bild 126.<br />
In the course of a project, <strong>BFI</strong> will study and<br />
apply strategies and methods that will allow<br />
rapid searches in large databases to i<strong>de</strong>ntify<br />
signal patterns specified by users. There must<br />
be a sufficient level of accuracy in the correlation<br />
between the specified pattern and those found in<br />
the data. The possibility to refer to similar process<br />
situations that have occurred in the past and<br />
consi<strong>de</strong>r the actions taken in response to these<br />
will help users to <strong>de</strong>al more efficiently with the<br />
anomaly they are currently facing, see Fig 126.<br />
Wissensmanagement zur qualitätsbezogenen<br />
Entscheidungsunterstützung<br />
Zur Speicherung und Nutzbarmachung von<br />
„Allgemeinwissen“ im Bereich <strong>de</strong>r Stahlproduktion<br />
sowie <strong>de</strong>s Wissens von erfahrenen Betriebsingenieuren<br />
stehen heutzutage neue Technologien<br />
zur Verfügung. Im Rahmen eines <strong>de</strong>rzeit laufen<strong>de</strong>n<br />
Forschungsprojektes beschäftigt sich das <strong>BFI</strong> intensiv<br />
mit <strong>de</strong>r Strukturierung <strong>de</strong>s Wissens, <strong>de</strong>ssen Archivierung<br />
sowie seiner Nutzbarmachung. Für das<br />
eigentliche Wissensmanagement wer<strong>de</strong>n semantische<br />
Techniken in Form so genannter „Ontologien“<br />
in Kombination mit „Regeln“ eingesetzt.<br />
Bild 127 zeigt ein Beispiel einer solchen Ontologie<br />
aus <strong>de</strong>m Bereich <strong>de</strong>r Stahlproduktion, hier <strong>de</strong>r<br />
(vereinfachte) Zusammenhang zwischen Aluminiumabscheidung<br />
und Zusetzten <strong>de</strong>s Tauchrohrs beim<br />
Stranggießen, sowie die Zugriffsmöglichkeiten auf<br />
die Wissensbasis.Als konkrete Anwendung dieser<br />
Knowledge management for quality-related<br />
<strong>de</strong>cision-making support<br />
New technologies are now available for storing<br />
and making use of “general knowledge” in the<br />
field of steelmaking as well as the knowledge of<br />
experienced plant engineers. In a current research<br />
project, <strong>BFI</strong> is working intensively on structuring<br />
knowledge, archiving it and making it usable. For<br />
knowledge management itself, semantic techniques<br />
are applied in the form of “ontologies”<br />
in combination with “rules”. Fig. 127 shows an<br />
example of such an ontology from the area of<br />
steelmaking – in this case, the (simplified) relationships<br />
between separation of aluminium and<br />
clogging of the submerged-entry nozzle during<br />
continuous casting – and the options for accessing<br />
the knowledge base.As a real-life application of<br />
this technology, a system has been <strong>de</strong>veloped to<br />
support the quality <strong>de</strong>partment in a steel plant.<br />
Bild / Figure 127<br />
Zugriff auf die Ontologie basierte Wissensbasis<br />
Access to the Ontology based knowledge base<br />
© VDEh-Betriebsforschungsinstitut GmbH<br />
143
Mess- und Automatisierungstechnik | Qualitäts- und Informationstechnik<br />
Technologie wur<strong>de</strong> ein System zur Unterstützung<br />
<strong>de</strong>r Qualitätsabteilung im Stahlwerk entwickelt.<br />
Das Ziel ist es, <strong>de</strong>n Mitarbeitern <strong>de</strong>r Qualitätsabteilung<br />
eine Hilfestellung zu geben, bei <strong>de</strong>r<br />
Entscheidung über die weitere Verarbeitung von<br />
Schmelzen bei <strong>de</strong>nen die Soll-Analyse nicht eingehalten<br />
wur<strong>de</strong>. Hierzu wer<strong>de</strong>n beim Auftreten <strong>de</strong>r<br />
Problemfälle, die von <strong>de</strong>n Mitarbeitern getroffenen<br />
Maßnahmen und Aktionen systematisch erfasst<br />
und automatisch mit <strong>de</strong>n Prozessdaten verknüpft.<br />
Anschließend wird das generierte Erfahrungswissen<br />
in <strong>de</strong>r Wissensdatenbank gespeichert. Auf diese<br />
Weise entsteht eine Ansammlung von Erkenntnissen<br />
bezüglich <strong>de</strong>r Behandlung von Ausnahmesituationen.<br />
Treten später ähnliche Fälle auf, ist das System in<br />
<strong>de</strong>r Lage diese automatisch zu erkennen und anhand<br />
<strong>de</strong>r bereits vorliegen<strong>de</strong>n Erfahrungen Maßnahmen<br />
vorzuschlagen.<br />
The objective was to provi<strong>de</strong> assistance to<br />
quality <strong>de</strong>partment staff in <strong>de</strong>ciding about how<br />
to further process melts that did not comply<br />
with the target chemical analysis. To do this,<br />
the <strong>de</strong>cisions and actions taken by the staff when<br />
problems occur are systematically recor<strong>de</strong>d and<br />
automatically linked with the process data. The<br />
generated empirical knowledge is then stored<br />
in the knowledge database. This results in the<br />
creation of a knowledge repository on how to<br />
<strong>de</strong>al with exceptional situations. If similar cases<br />
later occur, the system is capable of recognising<br />
these automatically and proposing actions based<br />
on the stored empirical data.<br />
Unterstützung <strong>de</strong>r Produktions- und Qualitätsverantwortlichen<br />
durch die automatisierte Ursachen-<br />
Wirkungsanalyse von Qualitätsschwankungen<br />
An das Qualitätsmanagement in mo<strong>de</strong>rnen, Stahl<br />
produzieren<strong>de</strong>n Unternehmen wer<strong>de</strong>n immer höhere<br />
Anfor<strong>de</strong>rungen gestellt. Die Ursachen von auftreten<strong>de</strong>n<br />
Qualitätsschwankungen müssen schnellstmöglich<br />
erkannt und abgestellt wer<strong>de</strong>n. Dies soll von<br />
einem möglichst breiten Anwen<strong>de</strong>rkreis durchgeführt<br />
wer<strong>de</strong>n können, ohne dass diese Personen <strong>de</strong>taillierte<br />
Kenntnisse über die verwen<strong>de</strong>ten Techniken (hier:<br />
Data Mining Verfahren) haben müssen. In diesem<br />
Projekt wur<strong>de</strong> eine Methodik entwickelt und realisiert,<br />
die es erlaubt, basierend auf <strong>de</strong>r Datenbasis<br />
Support of production and quality managers<br />
through automated cause and effect analyses of<br />
variations in quality<br />
The <strong>de</strong>mands ma<strong>de</strong> on quality management in<br />
mo<strong>de</strong>rn steel producing companies are steadily<br />
increasing. The causes of any variations in quality<br />
must be i<strong>de</strong>ntified and eliminated without <strong>de</strong>lay.<br />
It should also be possible for this to be done by<br />
as large a circle of users as possible, without<br />
these persons having any <strong>de</strong>tailed knowledge of<br />
the techniques used (in this case, data mining<br />
). In this project a method was <strong>de</strong>veloped and<br />
implemented which draws on the data contained<br />
in a central, cross-facility process and quality<br />
Bild / Figure 128<br />
Softwarestruktur und Benutzeroberfläche <strong>de</strong>s Diagnose-Werkzeugs<br />
Software structure and user interface of the diagnosis tool.<br />
144 © VDEh-Betriebsforschungsinstitut GmbH
Measurement and Automation | Quality and Information Technology<br />
einer zentralen, werksübergreifen<strong>de</strong>n Prozess- und<br />
Qualitäts-Datenbank und mit <strong>de</strong>r Eingabe weniger<br />
Informationen, Hinweise auf mögliche Ursachen von<br />
Qualitätsfehlern o<strong>de</strong>r Produktionsschwankungen zu<br />
erhalten. Dabei wur<strong>de</strong>n die verwen<strong>de</strong>ten Data Mining<br />
Verfahren vollständig vor <strong>de</strong>m Anwen<strong>de</strong>r verborgen.<br />
Mit <strong>de</strong>n im Projekt realisierten Ansätzen (Prioritätenliste<br />
von Einflussgrößen, zeitliche Entwicklung<br />
sowie <strong>de</strong>r Vergleich von zwei Stichproben z.B. aus<br />
verschie<strong>de</strong>nen Zeitbereichen) können bereits eine<br />
Vielzahl <strong>de</strong>r täglichen Problemstellungen von Qualitäts-<br />
und Produktionsbeauftragten bearbeitet wer<strong>de</strong>n.<br />
Die gewonnenen Hinweise können dann z.B. als<br />
Basis für <strong>de</strong>taillierte Untersuchungen verwen<strong>de</strong>t<br />
wer<strong>de</strong>n. Die Entwicklung <strong>de</strong>r oben erwähnten<br />
Metho<strong>de</strong>n erfolgte in enger Zusammenarbeit mit<br />
<strong>de</strong>n zuständigen Bereichen <strong>de</strong>s Industriepartners.<br />
Das entwickelte System ist in eine bestehen<strong>de</strong> und<br />
weit verbreitete Anwendung <strong>de</strong>s Industriepartners<br />
integriert, so dass eine große Anzahl Anwen<strong>de</strong>r aus<br />
allen Bereichen <strong>de</strong>s Unternehmens die entwickelte<br />
Funktionalität nach einer ca. 2-3 stündigen Schulungsmaßnahme<br />
einsetzen können. Bild128 zeigt<br />
die Komponenten <strong>de</strong>r entwickelten Lösung sowie<br />
die Benutzeroberfläche.<br />
database and which allows users to obtain information<br />
on possible causes of quality <strong>de</strong>fects or<br />
production variations after entering just a few<br />
search parameters. The data mining routines run<br />
automatically in the background and are not be<br />
visible to users. The approaches implemented<br />
in this project (priority list of influencing variables,<br />
<strong>de</strong>velopment over time, comparison of two<br />
random samples, e.g. from different time axis<br />
zones) already make it possible to solve many of<br />
the day-to-day issues facing quality and production<br />
managers. The information received can<br />
then be used, for example, as a basis for more<br />
<strong>de</strong>tailed investigations. The <strong>de</strong>velopment of the<br />
above mentioned methods was un<strong>de</strong>rtaken in<br />
close cooperation with the relevant <strong>de</strong>partments<br />
of the industrial partner. The system that was<br />
<strong>de</strong>veloped has been integrated into an existing<br />
and wi<strong>de</strong>ly used application at the industrial<br />
partner so that a large number of users from<br />
all areas of the company are able to work with<br />
the new functionalities after a training session<br />
lasting only about 2-3 hours. Fig 128 shows the<br />
components of the <strong>de</strong>veloped solutions as well<br />
as the user interface.<br />
Qualitätsfehlerursachenanalyse bei <strong>de</strong>r Stahlproduktion<br />
durch Kombination von Materialverfolgung,<br />
Datenarchivierung und Data Mining<br />
Die Herstellung hochwertiger Erzeugnisse in<br />
<strong>de</strong>r Stahlindustrie ist ein komplexer Vorgang,<br />
<strong>de</strong>r von vielen Produktionsfaktoren abhängig ist.<br />
Quality <strong>de</strong>ficiency root cause analysis in steel<br />
production through a combination of material<br />
tracking, data archiving and data mining<br />
The production of high-quality products in the<br />
steel industry is a complex process that <strong>de</strong>pends on<br />
many different factors. Starting with the feedstock,<br />
Bild / Figure 129<br />
Zusammenspiel <strong>de</strong>r Komponenten <strong>de</strong>s Data Mining Systems<br />
Cooperation of components of Data Mining system<br />
© VDEh-Betriebsforschungsinstitut GmbH<br />
145
Mess- und Automatisierungstechnik | Qualitäts- und Informationstechnik<br />
Ausgehend von <strong>de</strong>m Rohmaterial durchläuft ein<br />
Erzeugnis entlang <strong>de</strong>r Produktionskette mehrere<br />
Prozessstufen, bis es die gefor<strong>de</strong>rten Eigenschaften<br />
erreicht hat. In je<strong>de</strong>r Prozessstufe wird das Produkt<br />
entsprechend kun<strong>de</strong>nspezifischer Anfor<strong>de</strong>rungen<br />
geformt und in seiner Beschaffenheit verän<strong>de</strong>rt.<br />
Trotz strenger Überwachung <strong>de</strong>r Produktionsbedingungen<br />
lässt sich die gefor<strong>de</strong>rte Qualität<br />
<strong>de</strong>s Endproduktes nicht immer erreichen. Der<br />
Grund dafür liegt in <strong>de</strong>n meisten Fällen in <strong>de</strong>r<br />
Verkettung von geringfügigen Abweichungen in<br />
<strong>de</strong>n Produktionsbedingungen. Ursachen für solche<br />
Schwankungen verhalten sich meistens hochgradig<br />
nichtlinear und multivariat (=mehrere Größen<br />
wirken gleichzeitig) und können daher mit <strong>de</strong>n<br />
in <strong>de</strong>r Praxis üblichen Vorgehensweisen (Nutzung<br />
von Erfahrungswissen, einfachen statistischen<br />
Metho<strong>de</strong>n o<strong>de</strong>r „Trial-and-Error“) häufig nicht<br />
i<strong>de</strong>ntifiziert wer<strong>de</strong>n.<br />
Im Rahmen eines bereits abgeschlossenen<br />
Forschungsprojektes entwickelte das <strong>BFI</strong> ein System<br />
zur Untersuchung von Qualitätsfehlerursachen<br />
auf Basis von Data Mining Verfahren. Das Ziel <strong>de</strong>s<br />
Projektes war es vor allem, <strong>de</strong>n Prozess <strong>de</strong>r Datenaufbereitung<br />
sowie die Anwendung von Data Mining<br />
Verfahren für die Benutzer möglichst einfach zu<br />
gestalten. Dadurch sollte es ermöglicht wer<strong>de</strong>n,<br />
eine Qualitätsfehlerursachenanalyse auch von<br />
Personen durchführen zu können, die nicht über<br />
Kenntnisse von Data Mining Verfahren und z.B.<br />
<strong>de</strong>r damit verbun<strong>de</strong>nen Problematik <strong>de</strong>r Datenzusammenstellung<br />
verfügen.<br />
Realisiert wur<strong>de</strong> das System mittels eines Szenarien-basierten<br />
Ansatzes. Dabei wer<strong>de</strong>n für <strong>de</strong>finierte<br />
Fragestellungen von Experten die Zusammenstellung<br />
<strong>de</strong>r Daten, <strong>de</strong>ren Verarbeitung und<br />
Analyse festgelegt und in Form von Szenarien im<br />
System abgelegt. Der Szenarien Anwen<strong>de</strong>r muss<br />
seinerseits nur noch die Filtereinstellungen wie die<br />
Auswahl <strong>de</strong>s Produktes, <strong>de</strong>n Zeitraum <strong>de</strong>r Analyse<br />
etc. vornehmen und die Ausführung anstoßen.<br />
Die Ergebnisse wer<strong>de</strong>n vom System anschließend<br />
automatisch aufbereitet und in einer verständlichen<br />
Form <strong>de</strong>m Anwen<strong>de</strong>r zur Verfügung gestellt.<br />
a product un<strong>de</strong>rgoes processing in several stages<br />
along the production chain until it has acquired<br />
the specified properties. At each process stage,<br />
the product is formed and its characteristics are<br />
adjusted to meet customer-specific requirements.<br />
Despite strict monitoring of production conditions,<br />
it is not always possible to reach the <strong>de</strong>sired<br />
end-product quality. The reasons for this usually<br />
lie in an accumulation of minor <strong>de</strong>viations in<br />
the production conditions. The causes of such<br />
variations are generally highly non-linear and<br />
multivariate (i.e. severable variables act at the<br />
same time) and can often not be i<strong>de</strong>ntified with<br />
the approaches commonly applied in practice<br />
(reliance on empirical knowledge, simple statistical<br />
methods, or doing things by trial and error).<br />
In the course of an already completed research<br />
project, <strong>BFI</strong> <strong>de</strong>veloped a system based on data<br />
mining techniques to investigate the root causes of<br />
quality errors. The goal of this project was above<br />
all to make the data preparation process and the<br />
use of data mining techniques as simple as possible<br />
for users. The ultimate intention was to make<br />
it possible for persons to perform quality error<br />
root cause analysis without any prior knowledge<br />
of data mining techniques or of the problems<br />
associated with compiling data.<br />
The system was <strong>de</strong>signed using a scenario-based<br />
approach. For <strong>de</strong>fined issues, experts compile the<br />
data, <strong>de</strong>termine how it should be processed and<br />
analysed, and store these scenarios in the system.<br />
All the scenario user has to do is to chose the filter<br />
settings and select the product, the time span for<br />
the analysis, etc., and launch the execution of<br />
the analysis. The results are then automatically<br />
processed by the system and <strong>de</strong>livered to the user<br />
in an un<strong>de</strong>rstandable form.<br />
146 © VDEh-Betriebsforschungsinstitut GmbH
Measurement and Automation | Quality and Information Technology<br />
Automatische Generierung von Qualitätsregeln<br />
zur Verbesserung eines dynamischen Entscheidungsunterstützungssystems<br />
für die Qualitätsbewertung<br />
von Bandmaterial<br />
Im Rahmen eines Vorläuferprojektes hat das <strong>BFI</strong><br />
ein System zur Entscheidungsunterstützung für die<br />
Qualitätsbewertung von Flachmaterial entwickelt<br />
und bei einem Stahlproduzenten erfolgreich in<br />
Betrieb genommen. Bei diesem System müssen die<br />
für die Bewertung <strong>de</strong>r aufbereiteten Prozess- und<br />
Qualitätsdaten eingesetzten Regeln manuell erstellt<br />
und manuell eingepflegt wer<strong>de</strong>n. Hierbei basieren<br />
die Regeln einerseits auf <strong>de</strong>n für <strong>de</strong>n einzelnen<br />
Kun<strong>de</strong>n bzw. Auftrag gültigen Produktionsvorschriften<br />
und an<strong>de</strong>rerseits auf <strong>de</strong>m Erfahrungswissen<br />
<strong>de</strong>r Bedienmannschaft, das umfangreiches<br />
Hintergrundwissen über <strong>de</strong>n Kun<strong>de</strong>n, <strong>de</strong>ssen Anwendungen<br />
und <strong>de</strong>n laufen<strong>de</strong>n Produktionsprozess<br />
enthält. Die Umsetzung dieses Erfahrungswissens in<br />
sinnvolle Regeln ist teilweise nicht einfach und die<br />
so erzeugten Regeln müssen auf je<strong>de</strong>n Fall anhand<br />
realer Daten verifiziert wer<strong>de</strong>n.<br />
In <strong>de</strong>m hier vorgestellten und inzwischen been<strong>de</strong>ten<br />
Projekt wur<strong>de</strong>n Metho<strong>de</strong>n und Verfahren<br />
entwickelt, getestet und implementiert, die als<br />
Ergänzung zu <strong>de</strong>n obigen Ansätzen die anzuwen-<br />
Automatic generation of quality rules for improving<br />
a dynamic <strong>de</strong>cision support system for<br />
quality assessment of strip material<br />
In the course of a previous research project, <strong>BFI</strong><br />
had <strong>de</strong>veloped a system for supporting <strong>de</strong>cisions<br />
when assessing the quality of flat steel products<br />
and successfully implemented in steel producer’s<br />
facilities. In this system, the rules for assessing<br />
the prepared process and quality data had to<br />
be <strong>de</strong>rived and input manually. The rules were<br />
based on the production specifications for each<br />
customer or or<strong>de</strong>r and on the experience of the<br />
operating personnel who have extensive background<br />
knowledge concerning the customer and<br />
his applications in addition to their familiarity<br />
with the ongoing production process. Distilling<br />
this experience into useful rules is not always<br />
easy, and the rules established in this way must<br />
always be verified on the basis of real data.<br />
The aim of the now completed project <strong>de</strong>scribed<br />
here was to <strong>de</strong>velop, test and implement methods<br />
and techniques to supplement the above<br />
approaches and generate the rules to be used<br />
Bild / Figure 130<br />
Zusammenspiel <strong>de</strong>r Komponenten zur automatischen Regelgenerierung<br />
Components of the <strong>de</strong>veloped system for automatic rule generation<br />
© VDEh-Betriebsforschungsinstitut GmbH<br />
147
Mess- und Automatisierungstechnik | Qualitäts- und Informationstechnik<br />
<strong>de</strong>n<strong>de</strong>n Regeln aus historischen Daten automatisch<br />
generieren. Hierzu wer<strong>de</strong>n einerseits die Kun<strong>de</strong>nreklamationen<br />
bzw. internen Qualitätsbewertungen<br />
und an<strong>de</strong>rerseits die gemessenen Prozess- und<br />
Qualitätsdaten herangezogen. Die mit Hilfe eines<br />
Entscheidungsbaumverfahrens automatisch generierten<br />
Regeln wer<strong>de</strong>n von <strong>de</strong>m beim Kooperationspartner<br />
vorhan<strong>de</strong>nen Entscheidungsunterstützungssystem<br />
(EUS) weiter verarbeitet. Hier<br />
können sie mit Hilfe einer Simulation, basierend<br />
auf historischen Daten, optimiert und durch weitere<br />
Regeln ergänzt wer<strong>de</strong>n. Die Abbildung zeigt das<br />
Zusammenspiel <strong>de</strong>r Entscheidungsunterstützung<br />
mit <strong>de</strong>r automatischen Regelgenerierung.<br />
automatically from historical data. This is done<br />
by analysing customer complaints and internal<br />
quality assessments as well as the measured process<br />
and quality data. The rules that are generated<br />
automatically with the help of a <strong>de</strong>cision tree are<br />
then further processed using a <strong>de</strong>cision support<br />
system (DSS) already in place in the cooperation<br />
partner’s facilities. Here, they can be optimised<br />
and supplemented with further rules with the<br />
help of a simulation based on historical data. The<br />
illustration shows the interaction of the <strong>de</strong>cision<br />
support system with the automatic rule generating<br />
component.<br />
148 © VDEh-Betriebsforschungsinstitut GmbH
Names, Facts and Events | Turnover and Employees<br />
Bild / Figure 131<br />
Haushalt<br />
Turnover<br />
Bild / Figure 132<br />
Einnahmen <strong>2011</strong><br />
Incomes for <strong>2011</strong><br />
© VDEh-Betriebsforschungsinstitut GmbH<br />
149
Namen, Fakten und Ereignisse | Haushalt und Beschäftigte<br />
Bild / Figure 133<br />
Angestellte<br />
Employess<br />
Bild / Figure 134<br />
Aufteilung <strong>de</strong>r Mitarbeiter nach Qualifikation<br />
Breakdown of employees by qualification<br />
150 © VDEh-Betriebsforschungsinstitut GmbH
Namen, Fakten und Ereignisse | Verwaltungsrat und Fachbeirat<br />
Verwaltungsrat / Administrative Board<br />
Vorsitz/Chairman:<br />
Dr.-Ing. Peter Dahlmann<br />
Stahlinstitut VDEh<br />
Mitglie<strong>de</strong>r/Members:<br />
Prof. Dr.-Ing. Norbert Bannenberg<br />
AG <strong>de</strong>r Dillinger Hüttenwerke<br />
Dr.-Ing. Heribert Fischer<br />
ThyssenKrupp Steel Europe AG<br />
Dipl.-Ing. Ulrich Grethe<br />
Salzgitter Flachstahl GmbH<br />
Dipl.-Ing. Jürgen Horsthofer<br />
Deutsche E<strong>de</strong>lstahlwerke GmbH<br />
Dipl.Ing. Wim van Gerven ArcelorMittal Gent (bis zum 31.10.<strong>2012</strong>)<br />
Fachbeirat / Technical Board<br />
Vorsitz/Chairman<br />
Prof. Dr.-Ing. Norbert Bannenberg,<br />
AG <strong>de</strong>r Dillinger Hüttenwerke<br />
Mitglie<strong>de</strong>r / Members:<br />
Kokereiausschuss: Dr.-Ing. Leo Nelles Hüttenwerke Krupp Mannesmann GmbH<br />
Hochofenausschuss: Dr.-Ing. Michael Peters ThyssenKrupp Steel Europe AG<br />
Stahlwerksausschuss: Dr.-Ing. Ralf Bruckhaus AG <strong>de</strong>r Dillinger Hüttenwerke<br />
Blankstahlausschuss: Erich Christau Bessey Präzisionsstahl GmbH<br />
Ausschuss für<br />
metallurgische Dr.-Ing. Klaus Harste Max Aicher GmbH & Co. KG<br />
Grundlagen:<br />
Ausschuss für<br />
Langprodukte: Prof. Paul-Josef Mauk Gerhard-Mercator Universität<br />
Ausschuss für<br />
Flachprodukte: Dipl.-Ing. Klaus Kurke ThyssenKrupp Steel Europe AG<br />
Schmie<strong>de</strong>ausschuss: Dipl.-Ing. Ralf Rech Bu<strong>de</strong>rus E<strong>de</strong>lstahl GmbH<br />
Ausschuss für<br />
Anlagentechnik: Dipl.-Ing. Dirk Theis Salzgitter Flachstahl GmbH<br />
Werkstoffausschuss:<br />
Dr.-Ing. Dr.-Ing. E.H.<br />
Volker Schwich<br />
ESB sprl Engineering Steel Belgium<br />
Energieausschuss: Dr.-Ing. Michael Joksch ThyssenKrupp Steel Europe AG<br />
Umweltausschuss: Prof. Dr.-Ing. Gunnar Still ThyssenKrupp Steel Europe AG<br />
Chemikerausschuss: Dr. rer. nat. Patrice Reeb AG <strong>de</strong>r Dillinger Hüttenwerke<br />
© VDEh-Betriebsforschungsinstitut GmbH<br />
151
Namen, Fakten und Ereignisse | Publikationen<br />
Veröffentlichungen / Publications<br />
Artikel in Zeitschriften / Articles<br />
von Gersum, S.; Adler, W.; Ben<strong>de</strong>r, W.: Energieeffiziente<br />
Ofenbeheizung - Regenerative<br />
Wärmerückgewinnung mit Flachflammenbrennern.<br />
Gaswärme International: 60 (<strong>2011</strong>), S. 34-37<br />
Stubbe, G.; Harp, G.; Schmidt, D.; Sedlmeier, M.:<br />
Neue Technologie zur Chromrückgewinnung<br />
aus Elektrolichtbogenofenschlacken. Stahl und<br />
Eisen: 131 (<strong>2011</strong>), S. 45-50<br />
von Gersum, S.; Adler, W.; Ben<strong>de</strong>r, W.: Energyefficient<br />
furnace heating - regenerative<br />
heat recovery with flat flame burners, Heat<br />
Processing: 9 (<strong>2011</strong>), S. 170-173<br />
Ponten, H.; Grob, S.; Kleimt, B.: Cast in Time<br />
and Quality: Energy Savings Through Integrated<br />
Heat Temperature Forecast and Scheduling<br />
Mo<strong>de</strong>l. Iron & Steel Technology (<strong>2011</strong>), S. 82-91<br />
Hubrich, M.; Kozariszczuk, M: Zeitnahe Erfassung<br />
<strong>de</strong>r mikrobiologischen Aktivität in Kühlwasser-<br />
und Emulsionskreisläufen. Stahl und<br />
Eisen: 131 (<strong>2011</strong>), S. 160-161<br />
Adam, J.; Adler, W.; Harp, G.; Laps, M.; Schnell,<br />
H.-J.: Efficient utilization of low calorific process<br />
gas with innovative engine technology. Stahl<br />
und Eisen: 131 (<strong>2011</strong>), S. 47-53<br />
Schlautmann, M; Kleimt, B.; Kubbe, A.; Teworte,<br />
R.; Rzehak, D.; Senk, D.; Jaklic, A.; Klinar, M:<br />
Dynamic process mo<strong>de</strong>ls for on-line control<br />
of steelmaking processes, exemplified for the<br />
VOD process. Stahl & Eisen: 131 (<strong>2011</strong>), S. 57-65<br />
Kleimt, B; Weinberg, M; Bongers, J; Schöring, M:<br />
Mo<strong>de</strong>llbasierte Temperaturführung bei <strong>de</strong>r Flüssigstahlerzeugung<br />
zur Optimierung <strong>de</strong>s Energieeinsatzes.<br />
Stahl und Eisen: 131 (<strong>2011</strong>), S. 113-131<br />
Siegmann, A.; Sartor, M.; Deli, H.; Reichardt,<br />
T.: Emission von nanoskaligen Partikeln beim<br />
Einsatz von Suspensionen als Schmier- o<strong>de</strong>r<br />
Beschichtungssystemen bei <strong>de</strong>r Metallumformung.<br />
Jahrbuch Oberflächentechnik <strong>2011</strong>, S. 323-328<br />
Ivashechkin, P.; Kozariszczuk, M.: In-line-Überwachung<br />
von Polymerabschreckbä<strong>de</strong>rn. HTM<br />
Journal of Heat Treatment and Materials: 66<br />
(<strong>2011</strong>) 248-255<br />
Bergmanns, E.; Deters, L.; Fenske, C.; Gräbing,<br />
K.-P.; Keuntje, J.; Knapp, M.; Krücken, C.; Kuhn,<br />
M.; Kurzynski, J.; Meiß, M.; Stache, H.:: Analyse<br />
und Optimierung von hoch beanspruchten<br />
Wälzlagerungen in Stranggießanlagen. Tribologie<br />
und Schmierungstechnik: 58 (<strong>2011</strong>),<br />
S. 18-28<br />
Rögener, F.; Sartor, M.; Ban, A.;Buchloh, D.;<br />
Reichardt, T: .Metal recovery from spent stainless<br />
steel pickling solutions. Resources, Conservation<br />
and Recycling: 60 (<strong>2012</strong>), S. 72-77<br />
Peters, H.; Ebel,A.; Hackmann, J.; Heckenthaler,<br />
T.; Holzknecht, N.; Link, N.; Lücking, F.; Pan<strong>de</strong>r,<br />
M.: Industrielles Data Mining in <strong>de</strong>r Stahlindustrie.<br />
Stahl und Eisen; 132 (<strong>2012</strong>), S. 29-37<br />
Lamp, T.; Köchner, H.; Schiewe, S.; Kirsch, D.;<br />
Schramm, T.; Puvvada, N.R.; Janßen,P.: Innovative<br />
Überwachungstechniken zur besseren<br />
Kontrolle <strong>de</strong>r Strangerstarrung. Stahl und Eisen;<br />
132 (<strong>2012</strong>), S. 39-44<br />
Sartor, M.; Orosz, R.; Reichardt, T.; Hänsch, W.:<br />
Transportdauer hat Einfluss auf die Rotzun<strong>de</strong>rbildung.<br />
Stahl und Eisen: 132 (<strong>2012</strong>) S. 55-59<br />
Rögener, F.; Sartor, M.; Bán, A.; Buchloh, D.;<br />
Reichardt, T.: Metal recovery from spent stainless<br />
steel pickling solutions. Resources, Conservation<br />
and Recycling: 60 (<strong>2012</strong>), S. 72-77<br />
Wendler, B.; Wolters, R.; Schmidt, B.: Metallrückgewinnung<br />
aus Spülwässern durch Extraktion<br />
im Membrankontaktor. Galvanotechnik: 103<br />
(<strong>2012</strong>), S. 1364-1373<br />
Mennicken, H.: Optische Durchmessermessung<br />
von heißem Rundmaterial. Stahl und Eisen;<br />
<strong>2012</strong> (<strong>2012</strong>), S. 54<br />
Kor<strong>de</strong>l, T.; Lamp, T.; Köchner, H.; Fischer, H.;<br />
Zagrebin, V.: Kontinuierliche Temperaturmessung<br />
am Pfannenofen. Stahl und Eisen; 132 (<strong>2012</strong>),<br />
S. 92-94<br />
Lücking, F.; Holzknecht, N.; Bran<strong>de</strong>nburger,<br />
J.: Neue Produktüberwachungsfunktionen für<br />
umfangreiche Messdaten. Stahl und Eisen; 132<br />
(<strong>2012</strong>), S. 106-108<br />
152 © VDEh-Betriebsforschungsinstitut GmbH
Names, Facts and Events | Publications<br />
Sartor, M.; Schoppe, J.; Khalil, T.: Verringerung<br />
<strong>de</strong>r Zun<strong>de</strong>rbildung durch Beschichtungen.<br />
Schmie<strong>de</strong>JOURNAL (<strong>2012</strong>) September, S. 50-53<br />
Kleimt, B.; Schlautmann, M.; Weinberg, M.;<br />
Bongers, J.; Berg, P.; I<strong>de</strong>, N.: Optimierte Prozessführung<br />
zur ressourceneffizienten Stahlerzeugung<br />
im Konverterprozess. Chemie Ingenieur<br />
Technik; 84 (<strong>2012</strong>), S. 1704-1713<br />
Kleimt, B.; Dettmer, B.; Haverkamp, V.; Deinet,<br />
T.; Tassot, P. : Erhöhung <strong>de</strong>r Energie- und Materialeffizienz<br />
<strong>de</strong>r Stahlerzeugung im Lichtbogenofen.<br />
Chemie Ingenieur Technik: 84 (<strong>2012</strong>),<br />
S. 1714-1724<br />
Müller, U., Tacke, A., Seising, T., Müller, K.,<br />
Brötzmann, I.: Robust sensors in crane hooks<br />
to secure the crane transport of molten metals<br />
in ladles. Millennium Steel China: (<strong>2011</strong>), S.<br />
43-45<br />
Marx, K.; Rödl, S.: Efficient optimization of<br />
steelplant <strong>de</strong>dusting. Stahl und Eisen 132 (<strong>2012</strong>)<br />
Wolters, R.; Bettermann, I.; Rösler, H.-W.;<br />
Thomas, R.:Kreislaufschließung von Metallen<br />
und Spülwasser in <strong>de</strong>r Weißblechproduktion.<br />
Chemie-Ingenieur-Technik; 84 (<strong>2012</strong>) No. 10<br />
S. 1725-1732<br />
Vorträge auf Tagungen<br />
Adam, J.; Adler, W.; Harp, G.; Laps, M.; Schnell,<br />
H.-J.: Use of low calorific process gas for fueling<br />
an internal combustion engine for raised energy<br />
efficiency and lower CO2-emissions. EECR:<br />
<strong>2011</strong> Duesseldorf<br />
van <strong>de</strong>r Stel, J.; Hattink, M.; Sert, D.; Borlee, J.;<br />
Hirsch, A.; Zagaria, M.; Eklund, N.; Pettersson,<br />
M.; Sundquist, L.; Sköld, B.-E.; Lin, R.; Feiterna,<br />
A.; Feilmayr, C.; Grant, M.; Ansseau, O.; Adam,<br />
J.; Kinnunen, K.; Simoes, J. P.: Developments<br />
of the ULCOS Low CO2 Blast Furnace Process<br />
at the LKAB Experimental BF in Lulea. EECR:<br />
<strong>2011</strong>, Duesseldorf<br />
Schlautmann, M.; Kleimt, B.; Kubbe, A.; Teworte,<br />
R.; Rzehak, D.; Senk, D.; Jaklic, A.; Klinar, M.:<br />
Development and application of dynamic process<br />
mo<strong>de</strong>ls for on-line control of steelmaking<br />
processes, exemplified for the VOD process.<br />
MetecInSteelCon / SteelSim: <strong>2011</strong>, Duesseldorf<br />
Schlautmann, M.; Kleimt, B.; Teiter, T.; Schnabel,<br />
S.; Ponten, H.: Mo<strong>de</strong>l-based dynamic monitoring<br />
and end-point control of converter process,<br />
EOSC: <strong>2011</strong>, Duesseldorf<br />
Ponten, H.; Kleimt, B.; Grob, S.: Cast in Time<br />
and Quality: Energy Savings Through Integrated<br />
Heat Temperature Forecast and Scheduling<br />
Mo<strong>de</strong>l. EECR: <strong>2011</strong>, Duesseldorf<br />
Kleimt, B.; Weinberg, M.; Bongers, J.; Schöring,<br />
M.: Dynamic prediction of melt tempera-ture<br />
for optimised energy input and temperature<br />
control in steelmaking. EECR: <strong>2011</strong>, Duesseldorf<br />
Lamp, T.; Köchner, H.; Lachmund, H.; Xie,<br />
Y.: Direct blowing end point <strong>de</strong>termination<br />
by on-line temperature measurement in a<br />
LD-Converter. EOSC: <strong>2011</strong>, Stockholm<br />
Kaymak, Y.; Hauck, T.: Multi-physics mo<strong>de</strong>ling<br />
for optimization of sinter coolers, ECIC: <strong>2011</strong>,<br />
Duesseldorf<br />
Marx,K.; Rödl, S.: Efficient optimisation of steel<br />
plant <strong>de</strong>dusting. EOSC: <strong>2011</strong>, Stockholm<br />
Koitzsch, R.; Tscheuschner, C.; Rödl, S.;<br />
Leuverink, D.; Jung, H.-P.: New approaches for<br />
prediction of thermal conditions in a continuous<br />
casting tundish. ECCC: <strong>2011</strong>, Duesseldorf<br />
Tscheuschner, C.; Koitzsch, R.; Rödl, S.: Application<br />
of enhanced simulation approaches for<br />
investigation of multiphase phenomena in the<br />
mould, SteelSim: <strong>2011</strong>, Duesseldorf<br />
Ivashechkin, P.: Optimisation of water use in<br />
steel pickling. 4th PRISMA Process Integration<br />
Forum, Lulea, September <strong>2011</strong><br />
Rögener, F.; Bán, A.; Buchloh, D.; Reichardt, T.:<br />
Rückgewinnung von Wertmetall aus Abwässern<br />
und Abfällen von E<strong>de</strong>lstahlkaltwalzwerken.<br />
Gemeinschaftsveranstaltung. DECHEMA/DWA,<br />
November <strong>2011</strong>, Frankfurt am Main<br />
Sartor, M.; Buchloh, D.; Rögener, F.; Reichardt,<br />
T.: Gefrierkonzentration zur energieeffizienten<br />
Kreislaufschließung von Spülprozessen in <strong>de</strong>r Metallindustrie.<br />
Gemeinschaftsveranstaltung DECHEMA/<br />
DWA, November <strong>2011</strong>, Frankfurt am Main<br />
© VDEh-Betriebsforschungsinstitut GmbH<br />
153
Namen, Fakten und Ereignisse | Publikationen<br />
Ma, X.Z.; Halka, V.; Bán A.; Schuster, R.: Electrochemical<br />
Microstructuring with Ultrashort<br />
Voltage Pulses – Limitations and Prospects.<br />
INSECT <strong>2011</strong>, November <strong>2011</strong>, Viena<br />
Sartor, M., Reichardt, T.: Prevention of High-<br />
Temperature Corrosion in Steel Re-Heating by<br />
Diffusion-Inhibiting Coatings. 2nd Conference<br />
on Hybrid Materials, March <strong>2011</strong>, Strasbourg<br />
Sartor, M.; Buchloh, D.; Rögener, R.; Reichardt,<br />
T.: Gefrierkonzentration zur energieeffizienten<br />
Kreislaufschließung von Spülprozessen in <strong>de</strong>r<br />
Metallindustrie. Industrietage Wassertechnik,<br />
November <strong>2011</strong>, Frankfurt<br />
G. Stubbe, G. Harp, K. Vamvakas: Improvement<br />
of Cr yield in the EAF by use of briquetted Al<br />
containing filings.<br />
Adam, J.: Neue KWK-Anwendung zur Stromund<br />
Wärmegewinnung aus Schwachgas. VIK-<br />
FAchtagung: Das neue KWK-Gesetz <strong>2012</strong>, Essen,<br />
Juni <strong>2012</strong><br />
Köchner, H.; Strack-Thor, U.; Dannert, C.;<br />
Valentin, P.; Bruch, C.: Improvement of ladle stirring<br />
to minimise slag emulsification and reoxidation<br />
during alloying and rinsing. SCANMET<br />
IV – 4th International Conference on Process<br />
Development in Iron and Steelmaking , June<br />
<strong>2012</strong>, Luleå<br />
Pierre, R.; Kleimt, B.; Dettmer, B.; Schliephake,<br />
H.: Mo<strong>de</strong>l-based automation of EAF steelmaking<br />
from charging to tapping, International Workshop<br />
EAF - Perspectives on Automation, Materials,<br />
Energy & Enviroment: <strong>2012</strong>, Mailand<br />
Kleimt, B.; Dettmer, B.; Haverkamp, V.; Deinet, T.;<br />
Tassot, P.: Erhöhung <strong>de</strong>r Energie- und Materialeffizienz<br />
<strong>de</strong>r Stahlerzeugung im Lichtbogenofen<br />
durch optimiertes Wärmemanagement und<br />
kontinuierliche dynamische Prozessführung.<br />
Recycling und Rohstoffe: <strong>2012</strong>, Berlin<br />
Köchner, H.; Kleimt, B.; Kruck, J.; Kirsch, D.: Process<br />
control of vacuum <strong>de</strong>gassing by combined application<br />
of digital image processing and dynamic<br />
process mo<strong>de</strong>lling. 10th European Electric Steelmaking<br />
Conference, September <strong>2012</strong>, Graz<br />
Reichardt, T.; Myslowicki, S.; Deli, H.; Müller, C.:<br />
Coupled lubrication and strip surface cooling in<br />
steel hot strip rolling. 15th International Conference<br />
on Experimental Mechanics, Juli <strong>2012</strong>, Porto<br />
Tilo Reichardt, T.; Raulf, M.; Herrmann, M.;<br />
Dahms, P.; Ku<strong>de</strong>rmann, G.: Oilfree lubrication in<br />
steel cold rolling. 15th International Conference<br />
on Experimental Mechanics, Juli <strong>2012</strong>, Porto<br />
Kleimt, B; Pierre, R.; Dettmer, B; Deng, J;<br />
Schlinge, L; Schliephake, H:: Continuous<br />
dynamic EAF process control for increased<br />
energy and resource efficiency. Electric Steelmaking<br />
Conference , September <strong>2012</strong>, Graz<br />
Sartor, M.; Reichardt. T.: Vermin<strong>de</strong>rung von<br />
Hochtemperaturkorrosion bei <strong>de</strong>r Wie<strong>de</strong>rerwärmung<br />
von Stahl durch diffusionshemmen<strong>de</strong><br />
Beschichtungen. ZVO Oberflächentage <strong>2012</strong><br />
Müller,U., Jelali, M., Krambeer, H., Mücke, G.,<br />
Polzer, J., Wolff, A.: Entwicklungen <strong>de</strong>s <strong>BFI</strong><br />
zur Messung und Regelung <strong>de</strong>r Planheit beim<br />
Flachwalzen. XXX. Verformungskundliches<br />
Kolloquium, Montan Universität Leoben, Februar<br />
<strong>2011</strong><br />
Diegelmann, V., Zwickel, G., Ullrich, M.,<br />
Gouveia, H., Weirauch, U., Pernia Espinoza,<br />
A.V.: `Entwicklung eines neuartigen Verfahrens<br />
zur Einstellung <strong>de</strong>r mechanischen und<br />
topographischen Eigenschaften von Bandmaterial<br />
innerhalb eines Prozessschrittes. XXXI.<br />
Verformungskundliches Kolloquium, Februar<br />
<strong>2012</strong>,Montan Universität Leoben<br />
Adam, J.; Harp. G.; Laps, M.; Schnell, H.-J.:<br />
Steigerung <strong>de</strong>r Energieeffizienz in Gießereibetrieben<br />
durch die Verstromung nie<strong>de</strong>rkalorischer<br />
Prozessgase mit innovativer Motorentechnik.<br />
ProcessNET: Jahrestreffen Energieverfahrenstechnik<br />
& Hochtemperaturtechnik, Frankfurt<br />
am Main, März <strong>2012</strong><br />
Adam, J.; Harp, G.; Amani, R.; Temming, R.;<br />
Schnell, H.-J.; Laps, M.: Stromerzeugung aus<br />
nie<strong>de</strong>rkalorischem Kupolofengas mit innovativer<br />
Motorentechnik zur Steigerung <strong>de</strong>r Energieeffizienz<br />
und Senkung <strong>de</strong>r CO2-Emissionen.<br />
4. Internationale Kupolofenkonferenz, Dres<strong>de</strong>n,<br />
Juni <strong>2012</strong><br />
Peters, H.; Bran<strong>de</strong>nburger,J.; Ebel, A.; Holzknecht,<br />
N.; Link, N.: Aspects of Factory-Wi<strong>de</strong><br />
Quality Control Systems in Steel Industry. IFAC<br />
154 © VDEh-Betriebsforschungsinstitut GmbH
Names, Facts and Events | Publications<br />
Workshop on Automation in the Mining, Mineral<br />
and Metal Industries, September <strong>2012</strong>, Gifu,<br />
Japan,<br />
Scientific and technological perspective of Integrated<br />
Intelligent Manufacturing. Workshop<br />
Integrated Intelligent Manufacturing (I2M) in<br />
Steel Industry, April <strong>2012</strong>, Maizieres-les-Metz,<br />
France<br />
Bran<strong>de</strong>nburger, J.:Improved monitoring and<br />
control of flat steel surface quality and production<br />
performance by utilisation of results from<br />
automatic surface inspection systems. Workshop<br />
Integrated Intelligent Manufacturing (I2M) in<br />
Steel Industry, April <strong>2012</strong>, Maizieres-Les-Metz,<br />
France,<br />
Ebel, A.: Application of semantic technologies<br />
for <strong>de</strong>cision support in the steelmaking<br />
environment. Workshop Integrated Intelligent<br />
Manufacturing (I2M) in Steel Industry, April<br />
<strong>2012</strong>, Maizieres-les-Metz, France,<br />
van <strong>de</strong>r Stel, J.; Louwerse, G.; Sert, D.; Borlee,<br />
J.; Hirsch, A.; Lin, R.; Feiterna, A.; Ecklund,<br />
N.; Pettersson, M.; Sundquist, L.; Sköld, B.E.;<br />
Lovgren, J.; Zagaria, M.; Feilmayr, C.; Grant,<br />
M.; Ansseau, O.; Sihvonen, M.; Simoes, J. P.;<br />
Adam, J.; Küttn: Low CO2 ironmaking by top gas<br />
recycle blast furnace - the ULCOS <strong>de</strong>velopments<br />
in Europe. Scrap Supplements & Alternative<br />
Ironmaking VI, Oktober <strong>2012</strong>, Baltimore, USA<br />
Marx, K.; Rödl, S.: New approaches for efficient<br />
<strong>de</strong>dusting of basic oxygen furnaces.<br />
30th Journees Si<strong>de</strong>rurgiques Internationales,<br />
December 2102, Paris<br />
Stubbe, G.; Harp, G.: Improvement of Cr yield<br />
in the EAF by use of briquetted Al containing<br />
filings. 30th Journees Si<strong>de</strong>rurgiques Internationales,<br />
December 2102, Paris<br />
Reichardt, T.; Deli, H.; Myslowicki, S.; Müller,<br />
C.;Raulf, M.; Herrmann, M.; Dahms, P.;<br />
Mömming, C.: Oil free lubrication in steel hot<br />
and cold strip rolling. 30th Journees Si<strong>de</strong>rurgiques<br />
Internationales, December 2102, Paris<br />
Wolff, A.; Jelali, M: Continuous performance<br />
evaluation of control systems for reducing<br />
energy consumption in annealing lines.<br />
30th Journees Si<strong>de</strong>rurgiques Internationales,<br />
December 2102, Paris<br />
Peters, H.; Ebel, A.; Hackmann, J.; Heckenthaler,<br />
T.; Holzknecht, N.; Link, N.; Lücking, F.; Pan<strong>de</strong>r,<br />
M.: Industrial data mining in steel industry.<br />
30th Journees Si<strong>de</strong>rurgiques Internationales,<br />
December 2102, Paris<br />
Rögener, F.; Jacobson, K.; Bergsjö, P.; Hartmann,<br />
G.; Sartor, M.; Reichardt, T.: Steel pickling, acid<br />
regeneration and plastic corrosion in steel<br />
rolling mills. 30th Journees Si<strong>de</strong>rurgiques<br />
Internationales, December 2102, Paris<br />
Rögener, F.; Buchloh, D.; Ban, A. Reichardt,<br />
T.; Metal recovery from liquid and solid waste<br />
streams generated in stainless steel cold rolling<br />
mills. 30th Journees Si<strong>de</strong>rurgiques Internationales,<br />
December 2102, Paris<br />
Polzer, J.; Wolff, A.; Jelali, M.; Truskowski,<br />
M.; Fackert, R.; Hermy, T: Integrated thickness<br />
and flatness control for Sendzimir mills.<br />
30th Journees Si<strong>de</strong>rurgiques Internationales,<br />
December 2102, Paris<br />
Krambeer, H.; Fackert, R.; Feldges, M; Gerlach,<br />
W.; Müller, U: A New Hybrid Online Measurement<br />
System for Measurement of Surface<br />
Shape of Rolled Strips with Arbitrary Reflection<br />
Characteristics. 30th Journees Si<strong>de</strong>rurgiques<br />
Internationales, December 2102, Paris<br />
Diegelmann, V.; Zwickel, G.; Ullrich, M.; Gouveia,<br />
H.; Weirauch, U.; Pernia Espinoza, A.V.: Novel<br />
Method for Setting the Mechanical and Topographic<br />
Properties of Strips within one Process<br />
Step, 30th Journees Si<strong>de</strong>rurgiques Internationales,<br />
December 2102, Paris<br />
Druckwerke<br />
L. Jacobs, K. Reuver, H. van Ste<strong>de</strong>n, V. Torre, J.<br />
Perez, J. Kurzynski, B. Vervaet, G. Monfort, C.<br />
Pesci, J.M. Mougeolle, M. Agostini, N.-G. Jonsson,<br />
H. Hermann, R. Kawalla: Controlling wear and<br />
surface cleanliness during cold rolling. Publications<br />
Office of the European Union, <strong>2012</strong>,<br />
ISBN-Nr.: 978-92-79-22223-8<br />
© VDEh-Betriebsforschungsinstitut GmbH<br />
155
Namen, Fakten und Ereignisse | Publikationen<br />
Tonelli, M.; Coppola, T.; Martini, U.; Dannert, C.;<br />
Köchner, H.; Rulli, R.; Rossovich, R.; Palomba,<br />
R; De Paolis, R.: Improvement of purging plugs<br />
performance by investigations on the materials,<br />
process analysis and continuous monitoring.<br />
Publications Office of the European Union,<br />
Luxemburg, <strong>2011</strong>, ISBN-Nr.: 978-92-79-21713-5<br />
M. O. Hattink, J. van <strong>de</strong>r Stel, B. Lecacheux, S.<br />
A. Zaïmi, O. Mielenz, H.-P. Rüther, M. Bläsner,<br />
H. Köchner, C. Ojeda, E. da Costa, E. Abreu, D.<br />
Y. Sheng, L. Sundqvist, J. O. Wikström Determination<br />
of factors influencing the <strong>de</strong>adman<br />
position and evaluation of its impact on blast<br />
furnace lifetime. Publications Office of the<br />
European Union, Luxemburg , <strong>2011</strong>, ISBN-Nr.:<br />
978-92-79-21603-9<br />
Dannert, C.; Köchner, H.; Strack-Thor, U.;<br />
Valentin, P.; Bruch, C.; Sichen, D.; Holappa,<br />
L.: Improvement of ladle stirring to minimise<br />
slag emulsification and reoxidation during<br />
alloying and rinsing (Stimprove). Publications<br />
Office of the European Union, Luxemburg,<br />
<strong>2012</strong>, ISBN-Nr.: 978-92-79-22220-7<br />
L. Jacobs, K. Reuver, H. van Ste<strong>de</strong>n, V. Torre, J.<br />
Perez, J. Kurzynski, B. Vervaet, G. Mon-fort, C.<br />
Pesci, J.M. Mougeolle, M. Agostini, N.-G. Jonsson,<br />
H. Hermann, R. Kawalla : Controlling wear<br />
and surface cleanliness during cold rolling.<br />
Publications Office of the European Union,<br />
<strong>2012</strong>, ISBN-Nr.: 978-92-79-22223-8<br />
Kozariszczuk, M.; Ivashechkin, P.; Alex, J.;<br />
Gomes, J.; Bordado, J.; Mota, H.: Operational<br />
<strong>de</strong>monstration of innovative and sustainable<br />
nitrate elimination in stainless steel pickling<br />
by higher power biological <strong>de</strong>nitrification<br />
technique. Publications Office of the European<br />
Union, <strong>2012</strong>, ISBN-Nr.: 978-92-79-22433-1<br />
Abgeschlossene Forschungsvorhaben / Completed Research projects<br />
Projekten<strong>de</strong> in <strong>2011</strong> / Projects completed in <strong>2011</strong><br />
AIF<br />
Entwicklung und Erprobung eines neuen Verfahrens<br />
zur verbesserten Schlackenführung bei<br />
sekundärmetallurgischen Prozessen mittels<br />
Impedanzspektrometrie (15760 N/I)<br />
Neues Verfahren zur Entfernung von Partikeln<br />
aus Kühlwasserkreisläufen mit Starkfeldmagneten<br />
(16156 N/I)<br />
Steigerung <strong>de</strong>r Energieeffizienz an Prozessfeuerungen<br />
durch erweitertes universelles<br />
Brenngas-Messgerät (16155 N/I)<br />
Elektropolieren in ionischen Flüssigkeiten und<br />
nicht wässrigen Elektrolyten (16209 N/I)<br />
BMWI<br />
Optimierung von hoch beanspruchten<br />
Wälzlagerungen (01RI0630A)<br />
Einsparung hochwertiger Primärenergieträger<br />
durch heizwertärmere Prozess- und Sekundärgase<br />
in Kombination mit innovativer Abgaswärme-Min<strong>de</strong>rung<br />
(0327378)<br />
Biomimetisch geprägte Hochleistungskeramiken<br />
für <strong>de</strong>n Anlagenbau (01RB0703C)<br />
Senkung von Energieverbrauch und CO2-Ausstoß<br />
an Wärmöfen mit unterstöchiometrischer<br />
Heißgas-Atmosphäre durch ein innovatives<br />
Ofenführungskonzept mit kontinuierlichem<br />
Ausbrandmesssystem (0327380)<br />
ZIM<br />
Dynamisches Entscheidungsunterstützungssystem<br />
zur Qualitätsbewertung von Bandmaterial- Automatische<br />
Regelextraktion (KF2231801KM9)<br />
Kontinuierliche Reinigung von Kühlschmier-<br />
Emulsionen durch neues Membranverfahren<br />
(KF2231802OH9)<br />
156 © VDEh-Betriebsforschungsinstitut GmbH
Names, Facts and Events | Research Projects<br />
Selbstüberwachen<strong>de</strong>s Regelsystem mit automatischer<br />
Parameternachstellung für Bandbeschichtungsanlagen<br />
(KF2231804WD9)<br />
Untersuchungen zur Membranauswahl und<br />
Modulleistung bei <strong>de</strong>r Membran<strong>de</strong>stillation<br />
von Spülwässern <strong>de</strong>r E<strong>de</strong>lstahlverarbeitung<br />
(KF2231803MK9)<br />
Optimierung <strong>de</strong>r Bo<strong>de</strong>nauslassströmung in<br />
Stranggießverteilern (KF2231807CK9)<br />
Entwicklung und Optimierung <strong>de</strong>r Einsatzmöglichkeiten<br />
<strong>de</strong>r berührungslosen vollvolumetrischen<br />
Ultraschall Phased-Array Bandprüfungstechnologie<br />
für sehr dünne Stahl-Bän<strong>de</strong>r (KF2231813WM0)<br />
Regelbasierte Optimierung von Wärmezufuhr<br />
und Temperaturniveau (KF2231808LL9)<br />
Qualitätsfehlerursachenanalyse bei <strong>de</strong>r Stahlproduktion<br />
durch Kombination von Materialverfolgung,<br />
Datenarchivierung und Data<br />
Mining (KF2231810LF9)<br />
Hybri<strong>de</strong>s Messsystem zur Online-Erfassung<br />
von Oberflächenform und Glanz gewalzter<br />
Bän<strong>de</strong>r mit beliebigem Reflektionsverhalten<br />
(KF2231811DA0)<br />
Innovative Verfahrensentwicklung und Prozessführung<br />
zur Herstellung von hochlegierten<br />
E<strong>de</strong>lstählen mit niedrigem Kohlenstoffgehalt<br />
(KF2231805)<br />
Einsatz von Sekundärrohstoffen zur Verbesserung<br />
<strong>de</strong>r Chrom-Rückgewinnung und <strong>de</strong>r<br />
Schlackenqualität bei <strong>de</strong>r Erzeugung von nicht<br />
rosten<strong>de</strong>n E<strong>de</strong>lstählen im Elektrolichtbogenofen<br />
(KF2231820WZ0)<br />
Steigerung <strong>de</strong>r Standzeit und Minimierung <strong>de</strong>r<br />
Baugröße eines Rohrregenerators an Hochtemperaturprozessanlagen<br />
(KF2231819DF0)<br />
Entwicklung einer neuen Technologie zum<br />
Walzen dünner Stahlfolien (KF2231821)<br />
Gefrierkonzentration zur energieeffizienten<br />
Kreislaufschließung von Spülprozessen in <strong>de</strong>r<br />
Metallindustrie (KF2231818)<br />
RFCS<br />
Oxidation Management in Hot rolling Processes<br />
Oxidation management in Hot Rolling Processes<br />
(RFSR-CT-2008-00016)<br />
Supporting process and quality engineers by<br />
automatic diagnosis of cause-and-effect relationships<br />
between process variables and quality<br />
<strong>de</strong>ficiencies using Data Mining technologies<br />
(RFSR-CT-2008-00042)<br />
Innovative methodology for through process<br />
inclusion level forecasting of engineering steel<br />
(RFSR-CT-2008-00002)<br />
Control of Slag and Refining Conditions in the<br />
BOF (RFSR-CT-2008-00004)<br />
Advanced methods to improve work roll life<br />
time and surface quality of hot rolled strip<br />
by coupled oil free lubrication and chilling<br />
(RFSR-CT-2008-00012)<br />
Optimised production of low C and N steel<br />
gra<strong>de</strong>s via the electric steelmaking route (RFSR-<br />
CT-2008-00003)<br />
Novel Externally Enhanced Pickling Improvement<br />
for Short / Mid Term (RFSR-CT-2008-00046)<br />
Reduction in surface cracking in as-cast low sulphur<br />
and calcium treated steels (RFSR-CT-2008-00008)<br />
Mastering billet casting through integration of<br />
innovative mould sensoring and online billet<br />
surface quality monitoring (RFSR-CT-2008-<br />
00005)<br />
Increase of cold rolling performance by new<br />
lubricant and innovative work roll concepts<br />
(RFSR-CT-2008-00011)<br />
Flexible injection of alternative carbon material<br />
into the blast furnace. Determintation of<br />
conditions for pneumatic conveying and injection<br />
for solid mixtures of different materials<br />
(RFSR-CT-2008-00001)<br />
Novel Rolling Methods for Advanced High<br />
Strength Hot Rolled Steels (RFSR-CT-2008-00023)<br />
Enhanced reliability in ladle refining processes<br />
(VD, VOD and LF) by improved online process<br />
© VDEh-Betriebsforschungsinstitut GmbH<br />
157
Namen, Fakten und Ereignisse | Forschungsvorhaben<br />
monitoring and control (RFSR-CT-2008-00044)<br />
Novel Rolling Methods for Advanced High<br />
Strength Hot Rolled Steels (RFSR-CT-2008-00023)<br />
Minimised Yield Losses by Innovative Integrated<br />
Edge-drop, Width and Shape Control Based on<br />
Soft-sensor Technology and New Actuators in<br />
Cold Rolling Mills (RFSR-CT-2007-00015)<br />
Consistent blast furnace operation whilst using<br />
low cost raw materials (RFSR-CT-2007-00002)<br />
Online Material Characterisation at Strip Production<br />
(RFSR-CT-2008-00040)<br />
Reduction of Emissions and Energy Utilisation<br />
of Coke Oven Un<strong>de</strong>rfiring Heating Systems<br />
through Advanced Control and Diagnostics<br />
(RFCR-CT-2008-00007)<br />
Integrated mo<strong>de</strong>ls for <strong>de</strong>fect free casting (RFSR-<br />
CT-2008-00007)<br />
Optimisation of final plate flatness by set-up<br />
coordination for subsequent manufacturing<br />
processes (RFSR–CT–2005-00019)<br />
Development of an innovative hybrid procedure<br />
for combining tension-levelling and skin pass<br />
rolling (RFSR-CT-2007-00016)<br />
Projekten<strong>de</strong> <strong>2012</strong>/Projects completed in <strong>2012</strong><br />
AIF<br />
Effiziente Behandlung schwermetallhaltiger<br />
Abwässser durch sulfidische Fällung und dynamische<br />
Crossflow-Filtration (16298N/I)<br />
Untersuchungen zur kontinuierlichen Konzentrationsbestimmung<br />
in Säuregemischen zur<br />
Oberflächenbehandlung (16534 N/I)<br />
<br />
Senkung ungewollter Ran<strong>de</strong>ntkohlung von<br />
Metall-Nutzgütern bei <strong>de</strong>n thermochemischen<br />
Hochtem-peraturprozessen in Wärm- und Wärmebehandlungsöfen<br />
(16157 N/I)<br />
Verbesserung <strong>de</strong>s Gießprozesses von Metallschmelzen<br />
durch kontinuierliche emissionsgradunabhängige<br />
optische Temperaturkontrolle<br />
während <strong>de</strong>s Gießens (16340 N/I)<br />
BMBF<br />
Optimierte Prozessführung zur ressourceneffizienten<br />
Stahlerzeugung im Konverterprozess<br />
(033R009B)<br />
Erhöhung <strong>de</strong>r Energie- und Materialeffizienz<br />
<strong>de</strong>r Stahlerzeugung im Lichtbogenofen durch<br />
optimiertes Wärmemanagement und kontinuierliche<br />
dynamische Prozessführung (033R022B)<br />
Neue Effizienztechnologie für die Kreislaufschließung<br />
von Metallen und Spülwasser in<br />
<strong>de</strong>r Weißblechproduktion (033R002A)<br />
Einsatz nanoskaliger Beschichtungssysteme zur<br />
Vermin<strong>de</strong>rung <strong>de</strong>r Hochtemperatur-korrosion<br />
beim Wie<strong>de</strong>rerwärmen von Vormaterial beim<br />
Freiformschmie<strong>de</strong>n (03X0088C)<br />
Steigerung <strong>de</strong>r Energieeffizienz bei <strong>de</strong>r Herstellung<br />
von Gießschmelzen für Stahlgießteile<br />
(01LY0917)<br />
BMWI<br />
Energiesparen<strong>de</strong> Erzeugung von Metallschmelzen<br />
durch direkte Kontrolle <strong>de</strong>r Zieltemperatur<br />
im Pfannenofen - Erweiterung und<br />
Anwendung eines dynamischen Temperaturmo<strong>de</strong>lls<br />
(0327478)<br />
Senkung von Energieverbrauch und CO 2<br />
-Freisetzung<br />
beim industriellen Eisenerz-Sinterprozess<br />
(0327445)<br />
158 © VDEh-Betriebsforschungsinstitut GmbH
Names, Facts and Events | Research Projects<br />
ZIM<br />
Entwicklung einer teilautomatisierten Biegerichtmaschine<br />
für plattenförmige Blechbauteile,<br />
als geregeltes mechatronisches System<br />
(KF2231809WD9)<br />
Kreislaufschließung von Spülwässern mittels<br />
Gefrierkonzentration Gefrierkonzentration<br />
(KF2231818RH0)<br />
RFCS<br />
ULCOS top gas recycling blast furnace process<br />
(RFSR-CT-2009-00002)<br />
I<strong>de</strong>ntification of optimal mould lubrication<br />
conditions through an innovative hot and cold<br />
simulation method (RFSR-CT-2009-00006)<br />
Enhanced steel ladle life by improving the resistance<br />
of lining to thermal, thermomechanical<br />
and thermochemical alteration (RFSR-CT-2009-<br />
00003)<br />
Knowledge management and <strong>de</strong>cision support<br />
with special focus to process and quality optimization<br />
at flat steel production (RFSR-CT-<br />
2009-00034)<br />
Improved monitoring and control of flat steel<br />
surface quality and production performance by<br />
utilisation of results from automatic surface<br />
inspection systems (RFSR-CT-2009-00033)<br />
Development of an integrative plant, process<br />
and quality supervisory system at continuous<br />
casting by the intelligent combination of sensors,<br />
data analysis and <strong>de</strong>cision support techniques<br />
(RFSR-CT-2009-00001)<br />
New measurement and control techniques for<br />
total control in iron ore sinter plants (RFSR-<br />
CT-2009-00001)<br />
Effect of transients on quality of continuously<br />
cast product (RFSR-CT-2009-00005)<br />
Future-Oriented Supervision of the Cold Rolling<br />
Process in Reversing Mills (RFSR-CT-2009-00035)<br />
Advanced methods to improve work roll life<br />
time and surface quality of hot rolled strip<br />
by coupled oil free lubrication and chilling<br />
(RFSR-CT-2008-00012)<br />
Optimal strength control by individual strip<br />
related tuning of cooling processes in the hot<br />
rolling area based on mo<strong>de</strong>ls and in-line strength<br />
measurements (RFSR-CT-2008-00026)<br />
FOSTA<br />
Strategien zur Minimierung <strong>de</strong>r Verzugspotentialträger (P 986/04/<strong>2012</strong>)<br />
Laufene Gemeinschaftsvorhaben / Current Joint Projects<br />
FP 7<br />
Low Carbon Industrial Manufacturing Parks (FP7-Energy-<strong>2011</strong>-2 296010)<br />
RFCS<br />
Cognitive Control Systems in Steel Processing<br />
Lines for Minimised Energy Consumption and<br />
Higher Product Quality (RFSR-CT-2010-00037)<br />
Increased abrasive wear and thermal fatique<br />
resistance of Long Product work roll by application<br />
of novel coating technologies (RFSR-CT-<br />
2010-00009)<br />
<br />
Increased yield and enhanced steel quality by<br />
improved <strong>de</strong>slagging and slag conditioning<br />
(RFSR-CT-2010-00005)<br />
© VDEh-Betriebsforschungsinstitut GmbH<br />
159
Namen, Fakten und Ereignisse | Forschungsvorhaben<br />
Multi-criteria through-process optimisation of<br />
liquid steelmaking (RFSR-CT-2010-0003)<br />
Influences of the electro galvanizing process<br />
on the surface topography alterations (RFCS-<br />
CT-2010-00016)<br />
Flexible production by multi sensor process<br />
control of pickling lines (RFSR-CT-2010-0017)<br />
Selective salt elimination and valorisation for<br />
sustainable water and facility management in<br />
the steel industry (RFSR-CT-2010-00035)<br />
Reuse of low temperature heat (
Names, Facts and Events | Research Projects<br />
Quality and process monitoring system based<br />
on surface and internal <strong>de</strong>fect <strong>de</strong>tectopm for<br />
hot and cold wire (RFCS-CT-<strong>2012</strong>-00041)<br />
Development of a new automation and information<br />
paradigm for integrated intelligent manufacturing<br />
in steel industry based on holonic<br />
agent technology (RFCS-CT-<strong>2012</strong>-00038)<br />
Intelligent control station for improved quality<br />
management in flat steel production by a next<br />
generation <strong>de</strong>cision support system (RFCS-CT-<br />
<strong>2012</strong>-00037)<br />
Improvement of the internal wall surface<br />
quality of seamless tubes by optimisation and<br />
anticipating management of the mandrel bar<br />
operation and supervision of the internal tool<br />
process (RFSR-CT-2008-00014)<br />
EU-Switch Asia<br />
Sustainable production through market penetration of closed loop technologies in the metal<br />
finishing industry (DCI-Asia-<strong>2011</strong>/263-161)<br />
BMWI<br />
Qualitäts- und leistungssteigern<strong>de</strong>s Beheizungsverfahren<br />
für Wärmebehandlungsöfen<br />
auf Basis von innovativen energiesparen<strong>de</strong>n<br />
Hoch-Impuls-Brennern (03ET1027B)<br />
Neuartiger keramischer Hochtemperaturrekuperator<br />
zur Steigerung <strong>de</strong>r Energieeffizienz<br />
von Prozessfeuerungen (0327877A)<br />
Energieeffiziente dynamische Vakuumbehandlung<br />
von Metallschmelzen (03ET1045C)<br />
Steigerung von Energieeffizienz und Wirkungsgrad<br />
an Ban<strong>de</strong>rwärmungsöfen durch neue<br />
luftgekühlte Gut-Transportrolle (0327380 A/B)<br />
Rationellere Energieausnutzung in Schachtöfen<br />
durch dynamische Steuerung von Positionierung<br />
und Zeitfolge <strong>de</strong>r Einsatzstoffe (03ET1095C)<br />
ZIM<br />
Erhöhung <strong>de</strong>r Prozesssicherheit bei <strong>de</strong>r Desoxidation<br />
von Stahlschmelzen (KF2231825WM1)<br />
Integrierte, automatisierte und multi-variate<br />
SPC-Lösung für die Prozessindustrie am Beispiel<br />
von Bandmaterial (KF 2231826 ED)<br />
Kontinuierliche Optimierung von Prozessen<br />
und Anlagen <strong>de</strong>r industriellen Produktion<br />
durch die automatische Wie<strong>de</strong>rerkennung<br />
von Prozesssituationen anhand hochaufgelöster<br />
Anlagen- und Prozessdaten (KF2231827BZ2)<br />
BMBF<br />
Entwicklung und Erprobung einer neuen Anlagentechnik<br />
zur Herstellung eines hochwertigen Zinkoxids<br />
aus ungenutzten zinkhaltigen Produktionsrückstän<strong>de</strong>n<br />
durch Schmelzbad-Injektion (033R065A)<br />
Chemisches Recycling von TiC aus Rücklaufschritt<br />
Prüfung <strong>de</strong>r Übertragbarkeit auf weitere<br />
relevante Harmetallphasen (03X3567C)<br />
AIF<br />
Weiterentwicklung <strong>de</strong>r AOX-Messtechnik zur Vermeidung von Fehlmessungen (17207 N/1)<br />
© VDEh-Betriebsforschungsinstitut GmbH<br />
161
Namen, Fakten und Ereignisse | Patente<br />
Land NRW<br />
Innovative Werkstoffgeneration für Schneidwaren<br />
durch die zukunftsweisen<strong>de</strong> Fertigungstechnologie<br />
Bandgießen (005-1009-0056)<br />
Temporärer Hochtemperaturkorrosionsschutz<br />
(21060227512)<br />
Intelligente, adaptive Prozessführung zur<br />
ressourceneffizienten Erzeugung hochwertiger,<br />
nichtrosten<strong>de</strong>r Stähler in <strong>de</strong>r VOD-Anlage<br />
(21060236412)<br />
Laufen<strong>de</strong> und erteilte Patente / Patents granted and Pending<br />
Abschottsystem<br />
Lagergehäuse mit Stellvorrichtung zum<br />
geregelten Neigen und Schwenken von Bandlaufrollen<br />
(Adaptive Ofenrolle)<br />
Anwendung von Spülsteinen in <strong>de</strong>r Pfannenmetallurgie<br />
Auslenkvorrichtung<br />
Autarke elektrische Energieversorgung (AEE)<br />
auf Wellen und Rollen<br />
Beschichtete Meßgeberab<strong>de</strong>ckung<br />
Digitales Empfangssystem mit Störunterdrückung<br />
in Echtzeit<br />
Drehübertragersystem<br />
Erkennen <strong>de</strong>s Pfannenzapfens im Maul von<br />
Lamellenhaken beim Heißtransport von feuerflüssigen<br />
Massen mittels Spannungsmessung<br />
mit piezoelektrischen Sensoren<br />
Flachflammenbrenner<br />
Flachflammenbrenner für hohe Brennluftvorwärmung<br />
Formschlussbiegemaschine<br />
Gerüstvoreinstellung<br />
Konverter mit einem Behälter zur Aufnahme<br />
geschmolzenen Metalls und einer Messvorrichtung<br />
zur optischen Temperaturbestimmung<br />
<strong>de</strong>s geschmolzenen Metalls<br />
Koordinieren<strong>de</strong>s mo<strong>de</strong>llbasiertes Planheitsregelungssystem<br />
mit Zerlegung <strong>de</strong>r gemessenen<br />
Planheit in orthogonale Komponenten und<br />
Störgrößenaufschaltung beim Walzen, insbeson<strong>de</strong>re<br />
bei Kaltwalztan<strong>de</strong>mstraßen<br />
Längsgebohrte Rolle<br />
Membran-Pulsstromabscheidung<br />
Messrolle mit verkeilten Sensoren<br />
Messrolle zum Feststellen von Planheitsabweichungen<br />
Messsystem zur Bestimmung <strong>de</strong>r Bandlage<br />
Messverfahren zur kontinuierlichen Überwachung<br />
<strong>de</strong>r Beizbadqualität<br />
Messvorrichtung für die Temperaturmessung<br />
einer Schmelze und Handlanze<br />
Messvorrichtung und Messverfahren zur Analyse<br />
von Eigenschaften einer strömen<strong>de</strong>n Flüssigkeit<br />
Mo<strong>de</strong>llgestütztes Mehrgrößen-Planheitsregelungssystem<br />
mit Zerlegung <strong>de</strong>r gemessenen<br />
Planheit in orthogonale Komponenten und<br />
Störgrößenaufschaltung beim Warmwalzen<br />
Neuartige Geometrie eines Verschlussstopfens<br />
zur Reduzierung <strong>de</strong>r Ansatzbildung in<br />
Ausgusssystemen<br />
Oberflächenmesssystem für Flachprodukte<br />
Planheits-Messsystem für Metallband<br />
Planheitsmessvorrichtung für Band mit<br />
spiegeln<strong>de</strong>r Oberfläche<br />
Planheitsregelung<br />
Positionsregelung von Walzeneinbaustücken<br />
durch eine adaptronische Geometrie- und Spielregelung<br />
für die Flachbahnführungen<br />
Regelung <strong>de</strong>r Warmbandplanheit auf <strong>de</strong>r Grundlage<br />
einer topometrischen Planheitsmessung<br />
Regelverfahren und Regler für ein Walzgerüst<br />
162 © VDEh-Betriebsforschungsinstitut GmbH
Names, Facts and Events | Patents<br />
Richtvorrichtung FS-Richten<br />
Rohrregenerator<br />
Sen<strong>de</strong>system für Ultraschallwellen – Heißprüfer –<br />
Sensor Vorspannung mittels Spannhülsen<br />
Stichplanoptimierung<br />
T-Kokille<br />
Ultraschallprüfung mittels elektrodynamisch<br />
o<strong>de</strong>r elektromagnetisch erzeugter und empfangener<br />
Stabwellen und Verwendung eines<br />
Laufzeit gesteuerten Gruppenstrahlers<br />
Universelle kleintechnische Brennkammer zur<br />
Brenngasqualitätsbestimmung<br />
Verfahren und Vorrichtung zum lagegerechten<br />
Aufwickeln eines gewalzten Warmban<strong>de</strong>s in<br />
einer Haspelvorrichtung<br />
Verfahren und Vorrichtung zum optischen<br />
Messen <strong>de</strong>r Oberflächenform und zur optischen<br />
Oberflächeninspektion von bewegten Bän<strong>de</strong>rn<br />
Verfahren und Vorrichtung zur Behandlung<br />
einer Emulsion mit Mikrowellen<br />
Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung<br />
<strong>de</strong>s lokalen Wärmeübergangs in Industrieöfen,<br />
insbeson<strong>de</strong>re Wärmebehandlungsöfen<br />
Verfahren und Vorrichtung zur Dämpfung<br />
einer Walzenschwingung in einer Walzanlage<br />
Verfahren und Vorrichtung zur hochgenauen<br />
Abstandsmessung von Oberflächen (Rauheitsmeßsystem)<br />
Verfahren und Vorrichtung zur optischen<br />
Messung <strong>de</strong>r Oberflächenform und zur optischen<br />
Oberflächeninspektion<br />
Verfahren und Vorrichtung zur Vermin<strong>de</strong>rung<br />
von Schwingungen in einer Walzanlage<br />
Verfahren zum Messen und Steuern <strong>de</strong>r Bandplanheit<br />
in Bandbehandlungsanlagen<br />
Verfahren zur Bandbeschichtung<br />
Verfahren zur Ermittlung <strong>de</strong>s Oberflächenverlaufs<br />
eines bewegten Ban<strong>de</strong>s<br />
© VDEh-Betriebsforschungsinstitut GmbH<br />
Verfahren zur Ermittlung einer flüssigen Phase<br />
im Innern eines an seiner Oberfläche bereits<br />
erstarrten Strangs<br />
Verfahren zur Ermittlung von Bandzug, Bandzugverteilung<br />
und Querprofilabweichung<br />
Verfahren zur Fehlerartklassifizierung<br />
Verfahren zur fraktionierten Aufbereitung<br />
von Säuren aus Metallbeizbä<strong>de</strong>rn und <strong>de</strong>ren<br />
Spülwässern<br />
Verfahren zur Führung eines Ban<strong>de</strong>s und<br />
Verwendung für ein solches Verfahren<br />
Verfahren zur Führung eines Stahlverarbeitungsprozesses,<br />
insbeson<strong>de</strong>re eines Warmwalzprozesses<br />
Verfahren zur Gewinnung eines hochwertigen<br />
Zinkoxid-Produkts durch pneumatisches<br />
Einblasen von Frem<strong>de</strong>lementen wie z.B. Eisen<br />
enthalten<strong>de</strong>n zinkaltigen Staub (z.B. Produktionsrückstand)<br />
mit Kohlenstoff in ein schmelzflüssiges<br />
Eisenbad Verfahren zur Messung<br />
<strong>de</strong>r Auflage auf einem bewegten Metallband<br />
Verfahren zur Messung <strong>de</strong>r Auflage auf einem<br />
bewegten Metallband<br />
Verfahren zur selektiven Abtrennung von<br />
Metallen aus Phosphatierungsbä<strong>de</strong>rn und <strong>de</strong>ren<br />
Spülwässern mittels Membrankontaktoren<br />
Verfahren zur Überprüfung von Bauteilen<br />
Verfahren zur Vermeidung von längsseitigen<br />
Bandformfehlern beim Warmwalzen<br />
Verfahren zur Zuordnung eines digitalen Bil<strong>de</strong>s<br />
in eine Klasse eines Klassifizierungssystems<br />
Verfahren zur Ermittlung <strong>de</strong>r Planheit bzw.<br />
Welligkeit eines bewegten Ban<strong>de</strong>s – Welligkeit –<br />
Vollrolle zur Planheitsrechnung<br />
Vorrichtung und Verfahren zur Analyse <strong>de</strong>r<br />
Zusammensetzung einer flüssigen Metallschmelze<br />
Vorrihtung und Verfahren zur Einstellung <strong>de</strong>r<br />
Zinkschichtdicke beim Feuerverzinken von Band<br />
Vorrichtung und Verfahren zur Kombination<br />
<strong>de</strong>s Dressierwalz- und Streckbiegerichtvorgangs<br />
163
Namen, Fakten und Ereignisse | Patente<br />
Vorrichtung zum Biegerichten von Metallband<br />
– Formschlußrichten<br />
Vorrichtung zum Messen von Langprodukten<br />
Vorrichtung zur elektrolytischen Metallabscheidung<br />
auf Metallband durch kathodisch<br />
pulsieren<strong>de</strong>n Strom<br />
164 © VDEh-Betriebsforschungsinstitut GmbH
Kontakt I Contact<br />
VDEh-Betriebsforschungsinstitut GmbH<br />
Sohnstrasse 65<br />
40237 Düsseldorf<br />
Prof. Dr.-Ing. Ralph Sievering<br />
Hauptgeschäftsführer / General Manager<br />
ralph.sievering@bfi.<strong>de</strong><br />
Tel: +49 211 6707 200<br />
Ms. Karin Fischer<br />
Sekretariat <strong>de</strong>r Geschäftsführung /<br />
Assistant to the Manager<br />
karin.fischer@bfi.<strong>de</strong><br />
Tel: +49 211 6707 201<br />
M. Sc. Marten Sprecher<br />
Referent <strong>de</strong>r Geschäftsführung /<br />
Executive Assistant to the Manager<br />
marten.sprecher@bfi.<strong>de</strong><br />
Tel: +49 211 6707 203<br />
Um <strong>de</strong>n richtigen Ansprechpartner<br />
für Ihre Anfrage zu fin<strong>de</strong>n,<br />
besuchen Sie bitte www.bfi.<strong>de</strong><br />
To find the right contact for your request,<br />
please visit www.bfi.<strong>de</strong><br />
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165
Anfahrt<br />
How to find us<br />
Anreise mit <strong>de</strong>m Auto<br />
Für die Anreise aus <strong>de</strong>m Sü<strong>de</strong>n, Osten o<strong>de</strong>r Nor<strong>de</strong>n<br />
empfehlen wir die A3, aus <strong>de</strong>m Westen die A52<br />
aus Richtung Mönchengladbach. Kostenlose Besucherparkplätze<br />
stehen direkt am Stahl-Zentrum<br />
zur Verfügung.<br />
By Car<br />
We recommend you take the A3 motorway when<br />
travelling from the south, east or north, and use<br />
the A52 motorway from the west (from the direction<br />
of Mönchengladbach). Free visitor parking is<br />
available at the Stahl-Zentrum.<br />
A3<br />
Von <strong>de</strong>r A3 fahren Sie an <strong>de</strong>r Ausfahrt Mettmann<br />
ab Richtung Düsseldorf, folgen <strong>de</strong>r Bergischen<br />
Landstraße (B7), die nach mehreren Kilometern in<br />
die Lu<strong>de</strong>nberger Straße übergeht. Am Stauffenplatz<br />
verlassen Sie die B7 und folgen <strong>de</strong>r Grafenberger<br />
Allee Richtung Zentrum. Nach etwa einem Kilometer<br />
biegen Sie bei Mc Donald’s rechts in die<br />
Sohnstraße ein. Nach ca. 500 m fin<strong>de</strong>n Sie uns im<br />
Stahl-Zentrum auf <strong>de</strong>r rechten Seite.<br />
A3<br />
Leave the A3 at the Mettmann exit in the direction<br />
of Düsseldorf, follow the B7 (the Bergische Landstrasse)<br />
which becomes Lu<strong>de</strong>nberger Strasse after<br />
several kilometres. Leave the B7 at the Stauffenplatz<br />
and follow the Grafenberger Allee in the direction<br />
of the town centre (Zentrum). After about<br />
one kilometre turn right into Sohnstrasse at the<br />
McDonald’s. After approx. 500 m you will see the<br />
Stahl-Zentrum on the right.<br />
A52<br />
Linksrheinisch von <strong>de</strong>r A52 kommend folgen Sie<br />
<strong>de</strong>r B7 und fahren über die Theodor-Heuss-Brücke<br />
auf <strong>de</strong>r B1/B7/B8 und weiter über die Heinrichstraße<br />
(B7) Richtung Grafenberg. Nach ca. einem Kilometer<br />
biegen Sie rechts in die Graf-Recke-Straße ein, an<br />
<strong>de</strong>r nächsten Ampel nach links in die Fritz-Wüst-<br />
Straße, die dann in die Sohnstraße übergeht. Das<br />
Stahl-Zentrum fin<strong>de</strong>n Sie auf <strong>de</strong>r linken Seite.<br />
A52<br />
Coming from the A52 on the left of the Rhine,<br />
follow the B7 and go over the Theodor-Heuss Bridge<br />
on the B1/B7/B8 and continue along Heinrichstrasse<br />
(B7) in the direction of Grafenberg. After approx.<br />
one kilometre turn right into Graf-Recke-Strasse,<br />
then left at the next traffic lights into Fritz-Wüst-<br />
Strasse which joins Sohnstrasse. You will find the<br />
Stahl-Zentrum on the left.<br />
Anreise mit <strong>de</strong>m Flugzeug<br />
Sie lan<strong>de</strong>n auf <strong>de</strong>m Flughafen Düsseldorf International.<br />
Von dort empfehlen wir das Taxi direkt<br />
zu uns (Fahrzeit ca. 15 Minuten) o<strong>de</strong>r die S-Bahn<br />
(S7) zum Hauptbahnhof.<br />
By Plane<br />
You will land at Düsseldorf International Airport.<br />
We recommend you take a taxi straight to us (drive<br />
time approx. 15 minutes) or the S-Bahn (tram S7)<br />
to the main station (Hauptbahnhof).<br />
Anreise mit <strong>de</strong>m Zug<br />
Am Hauptbahnhof steigen Sie in die Buslinie<br />
834 Richtung Belsenplatz und fahren in etwa 10<br />
Minuten bis zur Haltestelle “Sohnstraße”, die<br />
sich unmittelbar vor unserem Gebäu<strong>de</strong> befin<strong>de</strong>t.<br />
By Train<br />
Take bus route 834 from the main station (Hauptbahnhof)<br />
in the direction of Belsenplatz and get out<br />
after about ten minutes at the “Sohnstrasse” bus<br />
stop, located immediately in front of our building.<br />
166 © VDEh-Betriebsforschungsinstitut GmbH
Notizen / Notes<br />
© VDEh-Betriebsforschungsinstitut GmbH<br />
167
Wir möchten uns gerne bei <strong>de</strong>n unseren För<strong>de</strong>rgeldgebern, insbeson<strong>de</strong>re <strong>de</strong>m Research Fund for Coal and<br />
Steel (RFCS), <strong>de</strong>m Bun<strong>de</strong>sministerium für Wirtschaft und Technologie (BMWI), <strong>de</strong>m Bun<strong>de</strong>sministerium für<br />
Bildung und Forschung (BMWI), <strong>de</strong>r Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen (AIF),<br />
<strong>de</strong>m Land Nordrhein-Westfalen, sowie allen an<strong>de</strong>ren für die Unterstützung danken.<br />
Des Weiteren bedanken wir uns bei Projektträgern für<br />
die gute und erfolgreiche Zusammenarbeit.
VDEh-Betriebsforschungsinstitut GmbH<br />
im Stahl-Zentrum<br />
Sohnstraße 65 · 40237 Düsseldorf<br />
Telefon: +49 211 6707-201 · Fax: +49 211 6707-202<br />
E-Mail: bfi@bfi.<strong>de</strong> · www.bfi.<strong>de</strong>