Zum Tätigkeitsbericht

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VDEh-Betriebsforschungsinstitut GmbH (BFI) - Tätigkeitsbericht | Activity report - 2013/2014
Tätigkeitsbericht
Activity Report
2013/2014
betriebsnah. flexibel. innovativ
operational. flexible. innovative
VDEh-Betriebsforschungsinstitut GmbH
im Stahl-Zentrum
Sohnstraße 65 · 40237 Düsseldorf
Telefon: +49 211 6707-201 · Fax: +49 211 6707-202
E-Mail: bfi@bfi.de · www.bfi.de
Institute for applied research
Impressum/Imprint:© VDEh-Betriebsforschungsinstitut GmbH · Sohnstr. 65 · 40237 Düsseldorf · Germany
Redaktion/Compilation: Dipl.-Wirtsch. Ing. Dominique Buoncuore (verantwortlich / editor-in-chief)
Layout & Satz/Typesetting: Verlag Stahleisen GmbH
Übersetzung/Translation: ExperTeam, Neuss
Druck/Printing: KraftDruck GmbH, Ettlingen
BFI®, DynAcid®, DynKonTemp®, DynTemp®, FIDUS® und TopPlan®
sind eingetragene Warenzeichen der VDEh-Betriebsforschungsinstitut GmbH
are Registered Trademarks of VDEh-Betriebsforschungsinstitut GmbH
Bei Abdruck ist die Einwilligung der Redaktion erforderlich.
Reproduction of any Material is subject to editorial authorization.
Tätigkeitsbericht / Activity Report
2013/2014
Dr.-Ing. Peter Dahlmann
Sehr geehrte Damen und Herren,
Dear Readers,
Das VDEh-Betriebsforschungsinstitut (BFI) kann auch
VDEh-Betriebsforschungsinstitut (BFI) can look
für den Berichtszeitraum 2013/2014 auf erfolgreiche back proudly on the successful innovative solutions
developed in 2013/2014.
innovative Entwicklungsarbeit zurückblicken.
Das Leitbild des BFI „Betriebsnah. Flexibel. Innovativ“
nimmt in der aktuellen Situation der Stahlbranche eine
zentrale Bedeutung ein. Eine zugleich zukunftsgerichtete und praxisorientierte Forschung und Entwicklung
ist der Hebel für eine wettbewerbsfähige und nachhaltige Stahlindustrie in Deutschland und in Europa.
BFI’s mission statement “Operational. Flexible. Innovative” is particularly meaningful in the current situation of the steel industry. Research and development
must be both visionary and pragmatic to function as
a lever for a competitive, sustainable steel industry
in Germany and in Europe.
Diese Herausforderung hat das BFI angenommen
und bietet Lösungen zu allen Prozessstufen der Stahl
erzeugung. Dass diese Lösungen von wirtschaftlicher
Relevanz sind, zeigen die zahlreichen Auftragsprojekte, die erfolgreich in Zusammenarbeit mit den
Werkspartnern umgesetzt worden sind.
BFI accepts this challenge and proposes solutions
for each process step in steelmaking. The numerous
projects accomplished jointly with industry
partners are the best proof that the solutions are relevant to improving business performance here and now.
Die Mission des BFI geht aber weit darüber hinaus:
Es sieht seine Aufgabe auch darin, Impulse zu geben
und zukunftsweisende Entwicklungen umzusetzen.
Deshalb spielt die Position des BFI als erfolgreichster
Antragsteller innerhalb des Research Fund for Coal
and Steel (RFCS) im Berichtszeitraum 2013/2014 eine
besondere Rolle. Das BFI will diese Spitzenstellung
als Benchmark für die eigene Leistungsfähigkeit bei
gleichzeitig zukunftsorientierten und professionellen
Innovationen sehen.
But BFI’s mission goes even beyond that: its purpose
is also to inspire and implement pioneering develop
ments. In this respect, it is highly significant that
BFI was the most successful applicant for funding
from the Research Fund for Coal and Steel (RFCS)
during the period under review. BFI views this
pole position as a benchmark for its capability to
generate forward-looking and focused innovation.
This report shows how wide BFI’s innovation portDieser Bericht zeigt die Breite der Innovationspalette
des BFI. Die deutsche Industrie braucht auch künftig folio is. German industry’s needs steel. In turn, the
Stahl. Wiederum braucht die deutsche Stahlindustrie German steel industry needs meaningful, purposesinnvolle, nutzenorientierte Prozessinnovation: dafür driven innovation – and that is what BFI stands for.
steht das BFI.
Vorsitzender des Verwaltungsrats
2
Chairman of the Administrative Board
© VDEh-Betriebsforschungsinstitut GmbH
Inhaltsverzeichnis
INSTITUTSPROFIL
Verbesserte Temperaturerfassung in Wärmöfen................ 34
Leitbild................................................................................. 10
Organisation........................................................................ 10
Technische Ausstattung...................................................... 11
Das Institut in Zahlen.......................................................... 11
Nationale Vernetzung.......................................................... 12
Internationale Vernetzung.................................................. 13
Gremien des BFI................................................................... 15
Veranstaltungen.................................................................. 16
Neuartiger keramischer Hochtemperaturrekuperator
zur Steigerung der Energieeffizienz von
Prozessfeuerungen............................................................... 35
ENERGIE UND RESSOURCENTECHNIK
Energiemanagement und Gastechnik
CO2-arme Industrieparks – Potential für
industrielle Symbiose über die Werksgrenze
hinaus.................................................................................. 18
Einführung eines Energiemanagementsystems
nach DIN EN ISO 50001 in einem Schmiedebetrieb........... 19
Optimierte Stromnutzung mittels Laststeuerung.............. 20
Rohrregenerator-Brenner-System........................................ 36
Optimierung von regenerativen Wärmeübertragern......... 37
Neuer regenerativer Schwachgasbrenner für die
Beheizung von Wärm- und Wärmebehandlungsöfen........ 38
Wichtiger Baustein zur Optimierung von
Brenner- und Beheizungssystemen:
Die BFI-Brennerversuchsanlage.......................................... 39
Wärmestellenarbeiten......................................................... 40
Ressourcentechnologie und Kreislaufprozesse
Nachhaltige Produktion durch Einführung von
Technologien zur Wasser- bzw. Säurekreislauf
schließung in der metallverarbeitenden Industrie............ 43
Beurteilung von großtechnischen Gasnetzen und
Erarbeitung von Verbesserungsmaßnahmen mittels
Berechnungsergebnissen..................................................... 20
Wertmetallrückgewinnung aus festen und
flüssigen Abfällen von Edelstahlbeizlinie.......................... 44
Messen und Regeln von Schwankungen in der
Gasbeschaffenheit............................................................... 22
Weiterentwicklung der AOX-Messtechnik zur
Vermeidung von Fehlmessungen........................................ 46
Nutzung der Abwärme aus Schmiedeöfen zur
Stromerzeugung mittels ORC.............................................. 23
Magnetabscheidung zur Partikelentfernung
aus flüssigen Medien der Eisen- und Stahlindustrie.......... 47
Wiederverwendung der Niedertemperaturabwärme
(<350°C) zur Verminderung des CO2-Ausstosses in
der Stahlindustrie................................................................ 24
Betriebliche Online-Konzentrationsüberwachung
in Beizbädern....................................................................... 49
Verstromung von Abwärme mittels
thermoelektrischer Generatoren......................................... 25
Sicherheitstechnik/DVGW Sachverständigenstelle............ 27
Wärme- und Verbrennungstechnik
NOx-Abbau – Energieeffiziente Entstickung
der Stahlbeizen.................................................................... 29
Steigerung von Beheizungsqualität und
Energieeffizienz in Wärmebehandlungsöfen
auf Basis neuer Hoch-Impuls-Brenner................................ 30
Steigerung von Energieeffizienz und Wirkungsgrad an
Banderwärmungsöfen durch neue luftgekühlte
Gut-Transportrolle............................................................... 31
Betriebsorientierte numerische Simulation
zur Optimierung von Feuerungsanlagen in
der Eisen- und Stahlindustrie.............................................. 32
Ressourcenschonende neuartige Nickelrückgewinnung
aus Prozesswässern der Phosphatierung............................. 50
Recycling und Wiedereinsatz von Titankarbid durch
Anwendung eines chemischen Auflöseverfahrens............ 52
Cyanid Überwachung und Behandlung unter
dynamischen Prozessbedingungen..................................... 53
Kreislaufführung von Prozesswässern durch
selektive Salzabtrennung.................................................... 54
Innovative Technologie zur umweltschonenden
Herstellung von Synthesegas aus Kohlendioxid und
Wasserstoff................................................................................. 55
Herstellung eines hochwertigen Zinkoxidprodukts
aus ungenutzten zinkhaltigen Produktionsrückständen
durch Schmelzbad-Injektion............................................... 56
Thermochemische Berechnungen und Flow-Sheet
Modellierung....................................................................... 57
3
Auf bereitung von Stahlwerksschlacke zur
Weiterverwendung als Düngemittel und Erzersatz........... 58
Sicherung des Einsatzes von Stahlwerksschlacken
in der Bauindustrie.............................................................. 59
Verschiedene Arbeiten zu Prozesschemie und
Ressourcentechnologie Einsatzstoffe.................................. 61
Verbesserung der Innenoberfläche nahtloser Rohre
durch optimierte, vorausschauende
Dornstangenhandhabung und durch Überwachung
des Stoßbankprozesses........................................................ 82
Anwendung des Mikro-Kalt-Schmiedens an
Warmprofilwalzen zur Verschleißminderung und
Verbesserung der Oberflächenqualität und Maßhaltigkeit
warmgewalzter Profile........................................................ 83
Verschiedene Arbeiten zu Einsatz, Behandlung
und Kreislaufführung flüssiger Medien.............................. 61
Oberflächen und Stahlveredelung
Zunderkonditionierung....................................................... 86
PROZESSTECHNIK
Roheisen- und Stahlerzeugung
Optimierung des Einsatzes von Rechenstäben in
Sinteranlagen....................................................................... 64
Innovative Kohlenstoffprodukte als Koksersatz
für den Hochofen................................................................ 65
Regelbasierte Vorschläge der Kohle-Einblasung
eines Hochofens................................................................... 66
Herdverschleißüberwachung.............................................. 67
Entwicklung von Messblasformen für den
Hochofenprozess................................................................. 67
Optimierung des Reinheitsgradspülens bei
der sekundärmetallurgischen Behandlung........................ 68
Effizienzsteigerung von Entstaubungsanlagen.................. 70
Urform- und Umformtechnik
Untersuchungen zur mechanischen und thermischen
Belastung der Strangschale beim Stranggießen................. 73
Strömungstechnische Optimierung von Primär- und
Sekundärkühlung zur Qualitätsverbesserung von
Stranggussprodukten........................................................... 74
Optimierung von Strömung und Erstarrung beim
Blockgießen......................................................................... 76
Strömungstechnische Optimierung des
Bandgießverfahrens zur Herstellung innovativer
Werkstoffe............................................................................ 77
Steigerung der Performance von Breitbandwalzwerken
durch innovativen Schmiermitteleinsatz in der
Fertiggstrasse........................................................................ 79
Kontrolle der Verzunderung bei der Wiedererwärmung
bei Erwärmungsprozessen mit alternativen Gasen und
Technologien....................................................................... 87
Hochdruck-Wasserstrahlen zur Entzunderung von
Stahldraht............................................................................ 89
Wirtschaftliches, verlässliches und sicheres
Säuremanagement in Europäischen Beizlinien................. 90
Optimierung von hochbeanspruchten Gleitkontakten
durch den Einsatz innovativer Beschichtungs- und
Oberflächenkonzepte.......................................................... 92
Verschleißschutzschichten.................................................. 93
Einflüsse der elektrolytischen Bandbeschichtung
auf die Änderung der Oberflächentopographie................. 94
Energie- und ressourceneffiziente elektrolytische
Verzinkung von Stahlbändern............................................ 96
Entwicklung einer innovativen industriellen
Schneidtechnik für hochverschleißendes
Bahnenmaterial................................................................... 98
Erarbeitung einer Normvorlage zur einheitlichen
Bewertung des Einflusses der Welligkeit in der
Feinblechoberfläche auf die Ausbildung der
Decklackverlaufstruktur...................................................... 98
MESS- UND AUTOMATISIERUNGSTECHNIK
Mess- und Prüftechnik
Online Bestimmung von Temperatur und
Kohlenstoffgehalt von Stahlschmelzen im
Elektrolichtbogenofen....................................................... 102
Spülsteinüberwachung..................................................... 103
Virtuelles Warmwarmwalzen von Breitband..................... 80
Abschlacküberwachung.................................................... 104
Erhöhte thermische und mechanische
Verschleißbeständigkeit von Warmprofilwalzen
durch Einsatz innovativer Beschichtungssysteme.............. 81
Hochdynamische kontinuierliche in situ
Temperaturmessung von Stahlschmelzen........................ 105
4
Kontinuierliche Überwachung der
Kokillenwandtemperatur.................................................. 106
Automatische Detektion von Oberflächen- und
oberflächennahen Fehlern an heißen Brammen............. 107
Entwicklung eines Qualitätsüberwachungssystems
basierend auf der Detektion von Oberflächen- und Innenfehlern an kalten Drähten bzw. Stangen.......................... 107
Prozess- und Anlagenautomatisierung
Modellbasierte Schlackenführung für die
pfannenmetallurgische Prozessroute................................ 110
Modellbasierte stufen-übergreifende Optimierung
der Prozessführung in der Sekundärmetallurgie............. 111
Integrierte, automatisierte und multivariate
SPC-Lösung für die Prozessindustrie am Beispiel
von Bandmaterial.............................................................. 123
Verfeinerung der Qualitätsbewertung von Flachstahl
durch eine prozessstufen-übergreifende Auswertung
von hochaufgelösten Prozess- und Produktdaten ........... 124
Intelligente Kontrollstation für ein verbessertes
Qualitätsmanagement in der Flachstahlproduktion
mit Hilfe eines Entscheidungs
unterstützungssystems ..................................................... 126
Entwicklung eines neuen Automatisierungs- und
IT Paradigmas für integrierte intelligente Fertigung
in der Stahlindustrie auf Basis holonischer Agenten....... 127
Entgasungsmodell zur online Beobachtung
der Pfannenstandentgasung.............................................. 112
Kontinuierliche Optimierung von Prozessen und
Anlagen der industriellen Produktion durch die
automatische Wiedererkennung von Prozesssituationen
anhand hochaufgelöster Anlagen- und Prozessdaten...... 129
Intelligente, adaptive Prozessführung zur
ressourceneffizienten Erzeugung hochwertiger
nichtrostender Stähle in der VOD-Anlage........................ 113
Werksweites Störungsbenachrichtigungssystem.............. 130
Optimale Festigkeitsregelung durch individuelle
Einstellung der Kühlstrecke in Warmbandwalzwerken
basierend auf Modellprädiktion und Online-Messung
der Festigkeit...................................................................... 114
Auf bau und Nutzung einer hochaufgelösten,
werksweiten Energiedatenbank zur stückbezogenen
Verbrauchsanalyse und zur Identifikation von
Einsparpotenzialen............................................................ 131
Analyse und Optimierung der Performance von
Regelkreisen zur Erhöhung der Produktqualität und
Reduzierung des Energieverbrauches (CPM)..................... 115
Planung und Optimierung der Produktion auf der
Basis von dynamischen Prozessmodellen......................... 115
Prozessstufenübergreifende integrierte Planheitsund Festigkeitsregelung.................................................... 116
Zukunftsweisende Stichplanberechnung für den
Kaltwalzprozess................................................................. 117
Qualitätsbasiertes Planungsassistenzsystem für
Edelstahlwerke.................................................................. 119
Qualitäts- und Informationstechnik
Verbesserte Überwachung und Steuerung der
Oberflächenqualität von Flachstahl durch Nutzung
der Ergebnisse von automatischen
Oberflächeninspektionssystemen..................................... 122
ANHANG
Projektübersicht – Abgeschlossene Projekte .................. 134
Projektübersicht – Laufende Projekte ............................ 136
Veröffentlichungen – Artikel in Zeitschriften................ 139
Veröffentlichungen – Konferenzvorträge....................... 140
Veröffentlichungen – Artikel in Tagungsbänden........... 142
Veröffentlichungen – Druckwerke.................................. 143
Patente............................................................................... 145
Kontakt............................................................................... 147
5
Contents
THE INSTITUTE AT A GLANCE
Mission statement................................................................ 10
Organisation........................................................................ 10
Equipment........................................................................... 11
The institute in a nutshell................................................... 11
BFI in the German innovation landscape........................... 12
BFI in the international innovation landscape................... 13
BFI’s governance.................................................................. 15
Events and meetings............................................................ 16
ENERGY AND RESOURCES
Energy Management and Gas Technology
Low-CO2 industrial manufacturing parks –
potential for industrial symbiosis across company
borders................................................................................. 18
Introduction of an ISO 50001-compliant energy
management system in a forging company....................... 19
Cost reduction by means of demand control..................... 20
Assessment of industrial-scale gas networks and
development of improvement measures based on
calculation results............................................................... 20
Measuring and controlling variations in gas quality......... 22
Utilising the waste heat from forging furnaces
to generate electric power with the help of ORC............... 23
Reutilisation of low-temperature waste heat
(<350°C) to reduce CO2 emissions in the
steel industry....................................................................... 24
Generating electricity from waste heat by means
of thermoelectric generators............................................... 25
Advanced temperature measurement in
reheating furnaces............................................................... 34
Novel ceramic high-temperature recuperator
to increase energy efficiency of process furnaces.............. 35
Tubular regenerator burner system.................................... 36
Optimisation of regenerative heat transfer systems........... 37
New regenerative lean gas burner for firing
reheating and heat treatment furnaces.............................. 38
Important component for optimising burner
and firing systems: The BFI burner testing facility............ 39
Fuel department activities................................................... 40
Resource Technology and Recycling Processes
Sustainable production through market penetration of
recovery and recycling technologies in metal finishing......... 43
Recovery of valuable metals from solid and liquid wastes
from stainless steel pickling lines....................................... 44
Further development of AOX measuring technology to
avoid measurement errors.................................................. 46
Magnetic field separation for the removal of
particles from liquid media in the iron and
steel industry....................................................................... 47
Online concentration monitoring in industrial
pickling baths...................................................................... 49
Resource-conserving innovative method for
recovering nickel from phosphating process
water streams....................................................................... 50
Safety Technology/DVGW Expert Advisory Services.......... 27
Recovery and reuse of titanium carbide with
the help of a chemical dissolution method........................ 52
Heat and Combustion Technologies
NOx reduction – energy-efficient denitriding of
steel pickling baths.............................................................. 29
Enhancement of heating performance and energy
efficiency in heat treatment furnaces based on
new high-velocity pulse burners......................................... 30
Increasing the energy efficiency and performance
of strip heating furnaces by means of new air-cooled
stock transport rollers......................................................... 31
Industrially oriented numerical simulation to
optimise firing installations in the iron and
steel industry....................................................................... 32
6
Cyanide monitoring and treatment under
dynamic process conditions................................................ 53
Recycling of process waters through selective
separation of salts................................................................ 54
Innovative technology for environmentally
sustainable syngas production from carbon
dioxide and hydrogen.......................................................... 55
Production of a high-grade zinc oxide product
from industrial residues by melt bath injection................ 56
Thermochemical calculations and
flow-sheet modelling........................................................... 57
Conditioning of steelmaking slag for use as
a fertilizer and ore substitute.............................................. 58
Assuring the use of steelmaking slags in
the construction industry.................................................... 59
Various activities in process chemistry and
resource technology for feedstocks..................................... 61
Various projects relating to the use, treatment and
closed-loop operation of liquid media................................ 61
PROCESS
Iron- and Steelmaking
Optimizing the use of permeability bars in
sinter plants......................................................................... 64
Innovative carbon products for substituting
coke in BF operation............................................................ 65
Rule-based proposals for coal injection rate in
blast furnaces....................................................................... 66
Supervision of the hearth wear state.................................. 67
Development of measuring tuyeres for the
blast furnace process........................................................... 67
Optimisation of cleanliness improvement
stirring during secondary metallurgy treatment............... 68
Improvement of the inner surfaces of seamless tubes
through optimised, proactive mandrel handling
and monitoring of the push-bench process........................ 82
Micro cold forging............................................................... 83
Surface Technology and Finishing
Scale conditioning............................................................... 86
Monitoring of scale formation during reheating
in heating processes using alternative gases and
technologies......................................................................... 87
High pressure water jet treatment for descaling
steel wire.............................................................................. 89
Cost-optimised, reliable and safe acid management
in European pickling lines.................................................. 90
Optimisation of highly stressed sliding contacts
through the use of innovative coating and
surface finish concepts........................................................ 92
Wear protection coatings.................................................... 93
Influences of the electrolytic coil coating
process on surface topography alterations......................... 94
Energy- and resource-efficient electrolytic
zinc-coating of steel coils.................................................... 96
Development of innovative industrial cutter
technology for highly abrasive web material..................... 98
Improving the efficiency of dedusting systems.................. 70
Primary Forming and Forming Technology
Studies of mechanical and thermal loads on
the strand shell during continuous casting........................ 73
Preparation of a draft standard for harmonised
assessment of the influence of waviness in the
sheet metal surface on the formation of waviness
in the top coat...................................................................... 98
Optimisation of flow conditions in primary and
secondary cooling to improve the quality of
continuously cast products................................................. 74
MEASURING AND AUTOMATION
Optimisation of flow conditions and solidification
in ingot casting.................................................................... 76
Measuring and Testing Techniques
Online determination of temperature and
carbon content of steel melts in electric
arc furnaces....................................................................... 102
Optimisation of flow conditions for
continuous stripcasting to produce
innovative materials............................................................ 77
Stirring plug monitoring................................................... 103
Improving the performance of wide strip rolling
mills through use of innovative lubricants in
the finishing mill................................................................. 79
Monitoring of deslagging of steel ladles to
improve the yield and quality of steel.............................. 104
Highly dynamic continuous in situ temperature
measurement in steel melts.............................................. 105
Virtual strip rolling mill...................................................... 80
Continuous monitoring of mould wall temperature....... 106
Increased thermal and mechanical wear resistance
of work rolls in hot section mills through use of
innovative coating systems................................................. 81
Automatic detection of surface and near-surface
flaws in hot slabs............................................................... 107
7
Development of a quality monitoring system based
on detection of surface and internal defects in
cold wire and bar stock..................................................... 107
Process and Plant Automation
Model-based slag management for the ladle
metallurgy process route................................................... 110
Model-based through-process optimisation of
process management in secondary metallurgy................ 111
Degassing model for online observation of ladle
tank degassing................................................................... 112
Intelligent adaptive process management for
resource-efficient production of high-grade stainless
steels in a VOD plant......................................................... 113
Optimal strength control through selective
adjustment of the cooling line in hot strip rolling
mills based on model prediction and online
strength measurements .................................................... 114
Refining the quality assessment of flat steel
by using a through-process evaluation based on
high-resolution process and product data........................ 124
Intelligent control station for improved quality
management in the production of flat steel by
using a decision support system....................................... 126
Development of a new automation and IT paradigm
for integrated intelligent manufacturing in the
steel industry based on holonic agents............................. 127 Continuous optimisation of industrial production
processes and plants through automatic recognition
of process situations based on highly resolved plant
and process data................................................................ 129
Plant-wide error messaging system................................... 130
Establishment and use of a high-resolution
factory-wide energy database for piecewise usage
analysis and identification of savings potentials.............. 131
Analysis and optimisation of the performance of
control loops to enhance product quality and reduce
energy consumption (CPM)............................................... 115
Production planning and optimisation based on
dynamic process models.................................................... 115
Through-process integrated shape and
strength control................................................................. 116
Future-oriented pass scheduling calculation
for the cold rolling process................................................ 117
Quality-based planning assistant system for
stainless steel mills............................................................ 119
Quality and Information Technologies
Improved monitoring and control of the surface
quality of flat steel by using the results of automatic
surface inspection systems................................................ 122
Integrated, automated and multivariate SPC solution
for the process industry as exemplified in
the case of strip material................................................... 123
8
ANNEX
Projects overview – Completed projects.......................... 134
Projects overview – Running projects............................. 136
Publications – Articles in scientific journals................... 139
Publications – Conference presentations........................ 140
Publications – Articles in proceedings............................ 142
Publications – Monographs............................................. 143
Patents................................................................................ 145
Contact............................................................................... 147
Institutsprofil | The institute at a glance
LEITBILD
MISSION STATEMENT
Das VDEh-Betriebsforschungsinstitut (BFI) ist eines der europaweit führenden Institute für anwendungsnahe Forschung
und Entwicklung auf dem Gebiet der Stahltechnologie.
The VDEh-Betriebsforschungsinstitut (BFI) is a leading
European provider of application-focused R&D in the field
of steelmaking technology.
Zur Verbesserung von Prozessen, Anlagen und Abläufen
der Stahlproduktion bieten wir Kompetenzen auf den
Gebieten der Simulation, Mess- und Automatisierungstechnik, Prozessführung und Verfahrensentwicklung. Hierfür
arbeiten wir praxisbezogen und vertrauensvoll mit unseren
Kunden zur effizienten Erreichung ihrer Ziele zusammen.
Dazu setzen seit über 40 Jahren 100 wissenschaftliche Mitarbeiter gemeinsam mit technischem Personal Innovationen wirtschaftlich in die industrielle Praxis um.
To improve equipment, processes and workflows in
steelmaking, we offer expertise in the areas of simulation,
instrumentation and automation technology, process
management and development. With our practice-centred approach, we collaborate with our customers in
a trustful, result-focused partnership to achieve their
goals. Our 100 scientists supported by technicians are
dedicated to upholding our more than 40-year tradition
of efficiently transforming innovations into industrial
practice. BFI’s field of activities covers the entire steelmaking process chain, from charge materials to the final
product.
Das Tätigkeitsfeld des BFI umfasst die komplette Prozesskette der Stahlherstellung von den Einsatzstoffen bis
zum Endprodukt.
ORGANISATION
ORGANISATION
Elf Fachabteilungen aufgeteilt in drei Bereiche - Energie- und Umwelttechnik, Prozesstechnik und Mess- und
Automatisierungstechnik - behandeln die Fragestellungen
kompetenzorientiert. Dabei steht die prozessstufen übergreifende Optimierung bezüglich Qualität, Ressourcen- und
Energieeffizienz zur Erhöhung der Wirtschaftlichkeit im
Vordergrund.
A total of 11 specialised departments, structured into
three divisions (Energy and Resource Technology, Process
Technology, Measuring Techniques and Automation), handle the Institute’s work via a competence-based approach.
Delivering plant-wide optimisation in terms of quality,
resource and energy efficiency as well as operational cost-effectiveness is our first and foremost objective.
Controlling
Geschäftsführung
Management
Controlling
Prof. Sievering
Patente, Lizenzen, Verträge
IP management, contracts
Prof. Peters
Hr. Poß
Energie- und Ressourcentechnik
Energy and Resources
Prozesstechnik
Process
Industrieofen und Verbrennungstechnik
Industrial Furnace and Combustion
Technologies
Prozesstechnik Roheisen
Process Technology Iron Making
Hr. Bender
Hr. Bender
Gastechnik und Energiewirtschaft
Gas Technology and Energy Management
Hr. Stranzinger
Prozesschemie und
Ressourcentechnologie Einsatzstoffe
Process Chemistry and Resource
Technology Feedstock
Hr. Hensmann
Ressourcentechnologie
Flüssige Medien
Resource Technology Liquid Media
Dr. Kozariszczuk
10
Hr. Reichardt
Mess- und
Automatisierungstechnik
Measurement and Automation
Prof. Peters
Prozessmess- und Prüftechnik
Process Measuring and Testing
Technology
Dr. Hauck
Dr. Köchner
Strömungstechnik und
Schmelzmetallurgie
Fluid Mechanics and Smelting
Technology
Process Automation Steelmaking
Prozesstechnik
Umform- und Veredelungsanlagen
Automatisierung Umform- und
Veredelungsanlagen
Process Technology Downstream
Automation Downstream
Prozessautomatisierung
Stahlerzeugung
Dr. Kleimt
Hr. Rödl
Hr. Reichardt
Dr. Polzer
Qualitäts- und Informationstechniken
Quality and Information Technology
Hr. Holzknecht
TECHNISCHE AUSSTATTUNG
EQUIPMENT
Sowohl für die Grundlagenforschung als auch für die
angewandte Forschung steht im BFI eine breite Ausstattung zur Verfügung. Das Institut verfügt über zahlreiche
Versuchseinrichtungen innerhalb des Technikums, über
Labore um chemische Untersuchungen eigenständig durchzuführen und über einen Rechencluster, um Modelle von
industriellen Anlagen unter verschiedensten Randbedingungen zu simulieren. Neben den stationären Einrichtungen ist das BFI ebenfalls in der Lage, komplexe Messungen
direkt an den Anlagen in den Werken durchzuführen. Die
dazu eigens entwickelten mobilen Messeinrichtungen sind
speziell für den Einsatz im Betrieb konzipiert worden und
ermöglichen diese einzigartige Flexibilität.
BFI has a broad range of equipment, allowing it to pursue
both fundamental and applied research. The Institute has
numerous test facilities in its technical centre, laboratories where it can conduct its own independent chemical
experiments, and a computer cluster to simulate models
of industrial plants under a wide variety of boundary conditions. In addition to its stationary facilities, BFI is also
equipped to perform complex measurements directly on
the plant in the industrial enterprises. This extraordinary
flexibility is enabled by mobile test equipment designed
specifically for use on-site in production and processing
operations.
DAS INSTITUT IN ZAHLEN
THE INSTITUTE IN A NUTSHELL
Von strategischer Bedeutung für das BFI ist die Akquisition
von Fördergeldern aus den EU-, Bundes-, und Länderprogrammen, einhergehend mit der Projektleitung der Forschungsvorhaben. Mit Hilfe der genehmigten Fördermittel
A key aspect of the BFI is the acquisition of public funds
from EU, Federal or state-level programmes, in keeping with
its research project manager’s role. Support applications or
grants can minimize project costs to a significant extent,
Mio €
1,8
13%
0,9
6%
0,4
3%
2,8
19%
5,7
40%
2,7
19%
■ Industrie / Industry ■ Lizenzen / Royalty incomes
■ EU
■ Grundfinanzierung VDEh / Basic funding VDEh
■ National, regional ■ Sonstige / Others
11
Mitarbeiter (Jährlicher Durchschnitt)
140
120
100
80
60
40
20
0
2006
2007
2008
2009
2010
2011
2012
2013
2014
ist es möglich die Forschungsaufwendungen für die Projektpartner erheblich zu reduzieren, da sowohl Personalkosten
als auch Anlageninvestitionen teilweise vom Fördermittelgeber getragen werden.
and both labour and investment expenditures can thus be
reduced for BFI’s industry partners.
NATIONALE VERNETZUNG
BFI IN THE GERMAN INNOVATION LANDSCAPE
Das BFI ist Bestandteil des Stahl-Zentrums in Düsseldorf, wo unter einem Dach das Stahlinstitut VDEh, die
Wirtschaftsvereinigung Stahl sowie weitere Institute zusammenarbeiten. Die Arbeiten des BFI sind dadurch stark
in der Arbeit des Verbandes verankert.
BFI is permanently headquartered at, and integrated
into, the Düsseldorf-based Stahl-Zentrum under whose
roof the Steel Institute VDEh, the German Steel Federation
and other institutes cooperate closely. Through its technical work adressing all aspects of steelmaking and steel
as a material, BFI is closely involved in VDEh’s activities.
Die Erarbeitung anwendungsnaher Lösungen ist von unmittelbarem Nutzen für die Eisen- und Stahlindustrie. Hierzu
müssen bestehende Prozesse verbessert und Verfahren an die
komplexen Anwendungsfälle der Industrie angepasst werden. Die industrielle Anwendung von Forschungsergebnissen ist auf Grund der betrieblichen Randbedingungen häufig
eine Herausforderung. Diese Herausforderung bewältigen
unsere Mitarbeiter mit ihrer langjährigen Erfahrung und
wissenschaftlichen Kompetenz und durch die enge Zusammenarbeit mit den Werken der Eisen- und Stahlindustrie.
Des Weiteren ist das BFI stark in die Ausbildung des
ingenieurwissenschaftlichen Nachwuchses integriert. So
sind Lehrbeauftrage an der Fakultät für Maschinenbau
der TU Dortmund, an der Fakultät für Georessourcen und
Materialtechnik der RWTH Aachen, im Fachbereich Maschinenbau und Verfahrenstechnik der FH Düsseldorf und
an der Fakultät Maschinenbau und Werkstofftechnik der
HTW Aalen berufen worden.
Zudem bestehen enge Kooperationen mit der TU Clausthal, der TU Freiberg, der Universität-Duisburg-Essen, sowie
12
The creation of application-focused solutions is of direct
benefit to the iron and steelmaking industry. In order to
ensure this, existing processes need to be improved and
methods must be adapted to suit complex industrial application scenarios. Given the boundary conditions prevailing in practice, the road towards industrial utilization
of research results is often fraught with challenges. In
resolving such issues our staff can draw on their many
years of experience, their scientific expertise, and their
close collaboration with enterprises in the iron and steel
industry.
BFI is also very much involved in the training and advancement of young engineers. Staff members have been
asked to lecture at the department of mechanical engineering of the Technical University of Dortmund, the department of georesources and materials technology of the
RWTH Aachen University, the department of mechanical
and process engineering of the Düsseldorf University of
Applied Sciences, and at the department of mechanical
engineering and materials technology of Aalen University.
der FH Köln. Die Anfertigung von Bachelor-, Master und
Doktorarbeiten ist im Rahmen der vom BFI bearbeiteten
Projekten möglich und erwünscht. Derzeit sind mehrere
Mitarbeiter als externe Doktoranten an den Universitäten
eingeschrieben.
Das BFI ist Mitglied in der neu gegründeten Landesgruppe Nordrhein-Westfalen des Verbandes Innovativer
Unternehmen e.V. (VIU). Der bundesweit aktive VIU ist eine
Interessenvertretung für forschende kleine und mittlere
Unternehmen sowie gemeinnützige externe, nicht grundfinanzierte Industrieforschungseinrichtungen. Er setzt sich
als einziger Unternehmensverband explizit für die Entwicklung und Stärkung von Industrieforschungspotenzialen ein.
Sein Ziel ist die Stärkung der Industrieforschung und die
effiziente Markteinführung von Innovationen im industriellen Mittelstand. Der VIU mit Sitz in Berlin beeinflusst
seit über 20 Jahren die Förderlandschaft für Forschung und
Entwicklung in ganz Deutschland. Zahlreiche Programme
des Bundeswirtschaftsministeriums und auf Ebene der Länder wurden inhaltlich mitgeprägt.
Das BFI ist auch Mitglied der AWT – Arbeitsgemeinschaft für Wärmebehandlung und Werkstofftechnik e.V.
Die Wärmebehandlung macht etwa 20 Prozent des Wertschöpfungsanteils in der metallverarbeitenden Industrie
aus. Die AWT steht seit 60 Jahren für Austausch und Wissen
rund um die Wärmebehandlung und Werkstofftechnik.
Die AWT fördert in erster Linie den Wissenstransfer und
kollegialen Austausch von Forschung und Industrie. Dafür
initiiert die AWT eigene Forschungsprojekte und setzt mit
professionellen Fachveranstaltungen europaweit Standards.
Das BFI ist auch Mitglied der DECHEMA (Gesellschaft
für Chemische Technik und Biotechnologie e.V.).
The Institute also cooperates closely with the Technical
University of Clausthal, the Technical University of Freiberg, Duisburg-Essen University, and Cologne University
of Applied Sciences. Undergraduates and postgraduates
are welcome to work on their dissertations and theses for
bachelor’s, master’s or doctoral degrees within the scope
of projects handled by BFI. Currently, a number of staff
members are also enrolled at the universities as external
doctoral candidates.
BFI is a member of the recently founded North-RhineWestphalian Group of the “Verband Innovativer Unternehmen e.V.” (VIU). This association is active at the national
level to represent the interests of research-intensive SMEs
and not-for-profit privately funded industrial research organisations. It is the only federation of firms focusing explicity
on the development and the reinforcement of the potential
of the industrial research. Its purpose is to strengthen industrial research capabilities and to facilitate the efficient
introduction of innovations on the market by small and
medium businesses. Headquartered in Berlin, VIU has been
influencing the innovation landscape and the conditions for
public funding in Germany for more than 20 years. Its recommendations have been taken into account in numerous
funding programs both at federal and state-levels.
BFI is also a member of AWT – Arbeitsgemeinschaft
für Wärmebehandlung und Werkstofftechnik e.V (an association focusing on heat treatment and materials engineering). Heat treatment accounts for about 20% of value
added in the metal processing industry. AWT has been a
platform for the exchange of know-how in the areas of
heat treatment and materials engineering for more than
60 years. It focuses primarily on encouraging knowledge
transfer and interaction between research and industry. To
this end, AWT launches its own research projects and sets
standards across Europe with its professional special events
BFI is also a member of DECHEMA (Gesellschaft für
Chemische Technik und Biotechnologie e.V.), the German
Society for Chemical Engineering and Biotechnology.
INTERNATIONALE VERNETZUNG
BFI IN THE INTERNATIONAL INNOVATION
LANDSCAPE
Die Herausforderungen der Eisen- und Stahlindustrie
gehen über Ländergrenzen hinaus. Um diese Herausforderungen effizient zu lösen gilt es, die Forschungskompetenzen europaweit zu koordinieren.
The challenges facing the iron and steel industry are
global. To tackle these challenges efficiently, it is necessary
to pool research capabilities at the European level.
Die Forschungsaktivitäten auf europäischer Ebene gewinnen weiterhin an Bedeutung, um die Wettbewerbsfähigkeit der europäischen Stahlindustrie trotz der konjunkturellen Rahmenbedingungen zu stärken.
Das BFI hat aus diesem Grund unter der Schirmherrschaft des Forschungssausschusses von EUROFER und mit
der Unterstützung des Führungsgremiums von ESTEP ein
The research activities at European level are becoming
more and more significant, in order to keep the steel industry in Europe competitive despite difficult economic
conditions.
For this reason, BFI has joined forces with leading European steel research institutes to form a network known
as the Research Initiative for European Steel (RIES) under
the patronage of the Research Committee of EUROFER
13
Netzwerk zusammen mit den führenden europäischen
Stahl-Forschungsinstituten gebildet: Research Initiative for
European Steel (RIES). Hierzu gehören neben dem VDEh-Betriebsforschungsinstitut mit Sitz in Düsseldorf das CRM
in Lüttich (Belgien), das Centro Sviluppo Materiali S.p.A.
in Rom (Italien) und Swerea Mefos in Lulea (Schweden).
Das Netzwerk hat zum Ziel, durch gemeinsame Forschungs- und Entwicklungsarbeit die Wettbewerbsfähigkeit
der europäischen Stahlindustrie zu stärken. In institutsübergreifenden Arbeitsgruppen werden zukünftige Forschungsthemen identifiziert und eine gemeinsame Vorgehensweise zur öffentlichen Förderung dieser Themen diskutiert.
Gleichzeitig wird im Netzwerk eine koordinierte Strategie
zu Forschungsthemen gegenüber den europäischen Gremien
verfolgt. So ist es bereits gelungen an den Rahmenbedingungen für das europäische Forschungsprogramm Horizon 2020
mitzuwirken um auch zukünftig eine energie- und ressourceneffiziente Stahlherstellung in Europa zu ermöglichen.
Das BFI ist auch Gründungsmitglied in der internationalen
non-profit Vereinigung “A.SPIRE aisbl“, die aus mehr als 100
Firmen, Industrieverbänden und Forschungseinrichtungen
besteht. Ziel der Public-private Partnerhip SPIRE (Sustainable
Process through Resource and Energy Efficiency) ist die Stärkung der europäischen Prozessindustrie (Zement, Keramik,
Chemie, Maschinenbau, Mineralien und Erze, nicht-eisenhaltige Metalle, Stahl und Wasser). Damit kann das BFI auf
europäischer Ebene die Interessen der deutschen Innovation
im Stahlbereich vertreten, und leistet seinen Beitrag zur Orientierung der Forschungspolitik der europäischen Industrie.
Der Austausch in europäischen Plattformen und Stahlverbänden wie ESTEP (European Technology Platform) und
EUROFER (European Steel Association) sind von zentraler
Bedeutung. BFI-Mitarbeiter nehmen an Arbeitsgruppen
der Europäischen Kommission, EUROFER, ESTEP und RFCS
(Research Fund for Coal and Steel) teil.
and with the support of the steering committee of ESTEP. Members of RIES are the BFI in Düsseldorf, Centre
for Research in Metallurgy in Liege (Belgium), Centro
Sviluppo Materiali S.p.A. in Rome (Italy) and Swerea
Mefos in Lulea (Sweden). The aim of the network is to
strengthen the competitiveness of the European steel
industry by conducting joint research and development
work. In cross-institute working groups, topics for future
research are identified and a common approach discussed
for obtaining public funding for such research projects.
At the same time, the network pursues a coordinated
strategy on research topics in its dealings with European
bodies. It has thus already succeeded in participating in
the process for defining the terms of reference for the
next European research programme (Horizon 2020) in
order to establish the necessary conditions for energy and
resource efficient steel production in Europe in the future.
BFI is also a founding member of the international nonfor-profit organization “A.SPIRE aisbl”, an association of
more than 100 firms, federations and research organizations.
The aim of the private-public partnership SPIRE (Sustainable Process through Resource and Energy Efficiency) is to
strengthen the European process industry (cement, ceramics,
chemicals, engineering, minerals, non-ferrous metals, steel
and water). In this context BFI can represent the interests
of German innovation in the steel sector at the European
level and helps to shape Europe’s industrial research policy.
The exchange of knowledge in European platforms such
as ESTEP (European Technology Platform) or EUROFER (European Steel Association) is of central strategic importance.
BFI is represented in many working groups of the European
Commission, EUROFER, ESTEP and RFCS (Research Fund
for Coal and Steel).
Steel Advisory Group (Europäische Kommission):
• Prof. Ralph Sievering
Steel Advisory Group (European Commission):
• Prof. Ralph Sievering
Technical Groups Steel (TGS, Europäische Kommission):
• TGS1, Ore agglomeration and Ironmaking:
Dr. Günter Harp
• TGS2, Steelmaking processes: Dr. Bernd Kleimt
• TGS3, Casting: Sigurd Rödl
Technical Groups Steel (TGS, European Commission):
• TGS1, Ore agglomeration and Ironmaking:
Dr. Günter Harp
• TGS2, Steelmaking processes: Dr. Bernd Kleimt
• TGS3, Casting: Sigurd Rödl
ESTEP Working Groups:
• Support Group and Implementation Group:
Prof. Ralph Sievering
• Working Group 1, Profit through Innovation and
subgroup Process Factory of the Future:
Prof. Harald Peters
• Working Group 4, Planet :
Dr. Günter Harp, Dr. Matthias Kozariszczuk
• Working Group 7, Energy Efficient Steel Production:
Wolfgang Bender
ESTEP Working Groups:
• Support Group and Implementation Group:
Prof. Ralph Sievering
• Working Group 1, Profit through Innovation and
subgroup Process Factory of the Future:
Prof. Harald Peters
• Working Group 4, Planet :
Dr. Günter Harp, Dr. Matthias Kozariszczuk
• Working Group 7, Energy Efficient Steel Production:
Wolfgang Bender
14
GREMIEN DES BFI
BFI’s GOVERNANCE
Das BFI wurde 1971 als gemeinnütziges Institut und
Tochter des Vereins deutscher Eisenhüttenleute (VDEh)
gegründet. Heute stellt sein Eigentümer, das Stahlinstitut
VDEh, zusammen mit seinen Mitgliedswerken den Verwaltungsrat und Fachbeirat.
BFI was established in 1971 as a non-profit institute and
subsidiary of the Verein deutscher Eisenhüttenleute (VDEh
/ German Iron and Steel Institute). Today the members of
BFI’s Administrative Board and Technical Advisory Council
are drawn from the ranks of the Steel Institute VDEh (as
its owner) and the latter’s member companies.
Verwaltungsrat
Administrative Board
Vorsitz: Dr.-Ing. Peter Dahlmann (VDEh)
Chairman: Dr.-Ing. Peter Dahlmann (VDEh)
• Dipl.-Ing. Jürgen Alex
(Deutsche Edelstahlwerke GmbH)
• Prof. Dr.-Ing. Norbert Bannenberg
(AG der Dillinger Hüttenwerke)
• Dr.-Ing. Heribert Fischer
(ThyssenKrupp Steel Europe AG)
• Dipl.-Ing. Ulrich Grethe
(Salzgitter Flachstahl GmbH)
• Dr.-Ing. Dietmar Ringel
(ArcelorMittal Bremen)
• Dipl.-Ing. Jürgen Alex
(Deutsche Edelstahlwerke GmbH)
• Prof. Dr.-Ing. Norbert Bannenberg
• Dr.-Ing. Heribert Fischer
(ThyssenKrupp Steel Europe AG)
• Dipl.-Ing. Ulrich Grethe
(Salzgitter Flachstahl GmbH)
• Dr.-Ing. Dietmar Ringel
(ArcelorMittal Bremen)
Fachbeirat
Technical Advisory Council
Vorsitz: Prof. Dr.-Ing. Norbert Bannenberg
Chairman: Prof. Dr.-Ing. Norbert Bannenberg
Vorsitzende von Fachausschüssen:
Committee chairmen:
Fachausschuss | Committee
Mitgliedunsternehmen
Member company
Dr.-Ing. Ralf Bruckhaus
Stahlwerksausschuss | Steel mill
AG der Dillinger Hüttenwerke
Dr.-Ing. Michael Brühl
Ausschuss für Flachprodukte | Flat product
Salzgitter Flachstahl GmbH
Erich Christau
Blankstahlausschuss | Cold drawn steel
Bessey Präzisionsstahl GmbH
Dr.-Ing. Klaus Harste
Ausschuss für metallurgische Grundlagen |
Metallurgic fundamentals
Max Aicher GmbH & Co. KG
Dipl.-Ing. Michael Marion
Energieausschuss | Energy Saarstahl AG
Dipl.-Ing. Markus Masuth
Kokereiausschuss | Coking plant
ArcelorMittal Bottrop GmbH
Prof. Paul-Josef Mauk
Ausschuss für Langprodukte | Long product
Universität Duisburg Essen
Dr.-Ing. Michael Peters
Hochofenausschuss | Blast furnace
ThyssenKrupp Steel Europe AG
Dipl.-Ing. Ralf Rech
Schmiedeausschuss | Forging
Buderus Edelstahl GmbH
Dr. rer. nat. Patrice Reeb
Chemikerausschuss | Chemical engineering
AG der Dillinger Hüttenwerke
Dr.-Ing. Dr.-Ing. E.h.
Volker Schwich
Werkstoffausschuss | Material science
VIK Verband der Industriellen
Energie- u. Kraftwirtschaft e.V
Dr.-Ing. Gunnar Still
Umweltausschuss | Environment
ThyssenKrupp AG
Dipl.-Ing. Dirk Theis
Ausschuss für Anlagentechnik | System engineering
Salzgitter Flachstahl GmbH
15
VERANSTALTUNGEN
EVENTS AND MEETINGS
Seit dem Jahr 2004 hält das BFI Kolloquien ab, mit denen
das Institut über aktuelle Forschungsthemen und –ergebnisse informiert. Ziel ist es, den Austausch zwischen der
Stahlindustrie und der Forschung weiter zu vertiefen. Im
Juni 2013 fand das BFI-Kolloquium mit dem Schwerpunkt
Gießen und Umformen mit über 100 Besuchern großen
Anklang. Zum ersten Mal war am 25. Juni 2014 ein prozessübergreifendes Thema im Kern des BFI Kolloquium:
Energie- und Ressourceneffizienz.
BFI established its BFI Colloquium in 2004. At this annual
event, the Institute informs participants about research topics and results in order to deepen the interaction between
the steel industry and the research world still further. In
June 2013 the BFI Colloquium covered the theme “casting
and forming” and was very well received by the more than
100 attendees. On June 25, 2014, the Colloquium focused
for the first time on an overarching subject: energy and
resource efficiency.
Des Weiteren war das BFI im April 2014 bei der ersten
European Steel Technology & Application Days (ESTAD) in
Paris mit 13 Fachvorträgen, sowie 3 Sitzungsvorsitzenden
vertreten. Die Veranstaltung wurde gemeinsam von der
Fédération Francaise de l’Acier (FFA), der Austrian Society
for Metallurgy and Materials (ASMET), Jernkontoret und
dem Stahlinstitut VDEh organisiert.
in April 2014, BFI has participated in the 1st European Steel Technology & Application Days (ESTAD) in Paris,
holding 13 specialised presentations, and chairing three
workshops. The ESTAD was co-organized by the Fédération Francaise de l’Acier (FFA), the Austrian Society for
Metallurgy and Materials (ASMET), Jernkontoret, and Steel
Institute VDEh.
Bei den Stahltagen 2013 und 2014 war das BFI mit einem
Stand vertreten.
BFI was represented with its own stand at the Stahl
conventions in 2013 and 2014.
16
Energiemanagement und Gastechnik
Energy Management and Gas Technology
CO2-arme Industrieparks – Potential für industrielle
Symbiose über die Werksgrenze hinaus
potential for industrial symbiosis across company
borders
18
Einführung eines Energiemanagementsystems nach
DIN EN ISO 50001 in einem Schmiedebetrieb
Implementation of an ISO 50001-compliant energy management system in a forging company
19
Optimierte Stromnutzung mittels Laststeuerung
Cost reduction by means of demand control
20
Beurteilung von großtechnischen Gasnetzen und
Erarbeitung von Verbesserungsmaßnahmen mittels
Berechnungsergebnissen
development of improvement measures based on
calculation results
20
Messen und Regeln von Schwankungen in der
Gasbeschaffenheit
Measuring and controlling variations in gas
quality
22
Stromerzeugung mittels ORC
Utilising the waste heat from forging furnaces to
generate electric power with the help of ORC
23
Wiederverwendung der Niedertemperaturabwärme
(<350°C) zur Verminderung des CO2-Ausstosses in
der Stahlindustrie
(<350°C) to reduce CO2 emissions in the steel
industry
25
Verstromung von Abwärme mittels thermoelektrischer Generatoren
of thermoelectric generators
25
Sicherheitstechnik / DVGW Sachverständigenstelle
Safety Technology / DVGW Expert
Advisory Services
27
Energie- und Ressourcentechnik | Energy and Resources
Energiemanagement und Gastechnik · Energy Management and Gas Technology CO2-arme Industrieparks – Potential für
industrielle Symbiose über die Werksgrenze
hinaus
potential for industrial symbiosis across
company borders
Vor dem Hintergrund stetig steigender Anforderungen
zur Minderung von CO2-Emissionen im produzierenden
Gewerbe in Europa haben sich 14 europäische Partner aus
verschiedenen Branchen in einem multinationalen Projekt
zusammengefunden. Ziel des Vorhabens ist, Potentiale für
industrielle Symbiosen aufzuzeigen und Synergien zwischen Industriebetrieben unterschiedlicher Branchen stärker zu nutzen, um die Effizienz der Energie- und Materialnutzung nachhaltig zu steigern und somit den CO2-Ausstoß
zu mindern. Basierend auf einem breiten technischen und
branchenspezifischem Fachwissen der Projektpartner werden im Rahmen des Projektes konkrete Ansatzpunkte für
eine branchenübergreifende Nutzung möglicher Synergien
beispielsweise zwischen der Eisen- & Stahlindustrie und
der Chemieindustrie (Bild 1 ) untersucht. Ansatzpunkte für
eine solche industrielle Symbiose über die Werksgrenze hinaus gibt es. Dampf aus Abwärme der Stahlindustrie kann
zum Beispiel an externe Verbraucher in räumlicher Nähe
geliefert werden. Kohlenmonoxyd und Wasserstoff aus den
Prozessgasen der Eisen- & Stahlindustrie sind potentielle
Rohstoffe für vielfältige Prozesse der Grundstoffchemie.
Das BFI bringt im Rahmen des Projektes spezifisches Branchenwissen mit dem Ziel ein, Potentiale für industrielle
Symbiosen von Eisen & Stahl mit anderen Branchen zu
identifizieren und zum beiderseitigen Vorteil nutzbar zu
machen.
Against the backdrop of constantly increasing requirements to reduce CO2 emissions in European manufacturing
businesses, 14 European partners from a variety of sectors
started an international project. The project aims to identify potential for industrial symbiosis and to advance the
utilization of cross-sectoral synergies in order to achieve
a sustainable increase in energy and resource efficiency
and so to reduce CO2 emissions. Based on well-founded
technical and business know-how of the project partners,
practical approaches for the utilization of cross-sectoral
synergies between, for example, the Chemical Industry
(Fig. 1 ) and the Iron & Steel Industry are being investigated.
Starting points for such industrial symbioses across company borders already exist. External users located close to
steel works are supplied with steam generated with waste
heat from the Iron & Steel Industry. Carbon monoxide and
hydrogen from process gases in the Iron & Steel Industry
are potential raw materials for multiple processes in the
base chemicals industry. BFI is participating in the project
with its specific know-how aiming to identify further potential for industrial symbioses of Iron & Steel with other
sectors for mutual benefit.
michael.hensmann@bfi.de
1 Nutzung branchenübergreifender Synergien z. B. mit der Chemieindustrie
Utilisation of cross-sectoral synergies e.g. with the chemical industry
18
Einführung eines Energiemanagementsystems
nach DIN EN ISO 50001 in einem Schmiedebetrieb
Implementation of an ISO 50001-compliant
energy management system in a forging company
Ein Schmiedebetrieb mit mehreren Standorten begann
in 2013 mit dem Auf bau eines Energiemanagementsystems
(EnMS) nach DIN EN ISO 50001. Das neue EnMS wird zeitgleich an allen Standorten des Unternehmens aufgebaut.
Mitarbeiter des BFI beraten das Unternehmen bei diesen
Arbeiten. Nach Festlegung einer Energiepolitik und Benennung eines Energiemanagement-Beauftragten wurde
zunächst ein werksübergreifend eingesetztes Energieteam
mit den Projektarbeiten betraut. Als einer der ersten Punkte wurde dabei zunächst der Einsatz aller Energieträger
systematisch erfasst und der Energiebedarf der einzelnen Standorte bewertet. Auch die Energiekosten wurden
vergleichbar für alle Standorte ermittelt und für einen
Zeitraum von 12 Monaten ausgewertet. Zwischenzeitlich
konnte dem Unternehmen bescheinigt werden, dass für
2013 die Anforderungen der Spitzenausgleich-Effizienzsystemverordnung - SpaEfV - erfüllt wurden. In 2014 wird die
Energieverteilung an den Standorten genauer dokumentiert
und mit zusätzlichen Zähleinrichtungen ausgestattet. Ein
neu eingerichtetes Energie-Monitoring mit monatlichen
Energieberichten schafft zusätzliche Transparenz bei der
Bewertung der Energieeffizienz. Es wurde eine Vielzahl
neuer Projekte begonnen, um systematisch weitere Potentiale bei der Einsparung von Energie in allen Bereichen des
Unternehmens erschließen zu können. Das Energieteam
wird weiterhin vom BFI in der Umsetzung dieser Maßnahmen unterstützt. Eine abschließende Zertifizierung
des EnMS nach DIN EN ISO 50001 soll in 2015 erfolgen.
In 2013 a forging company with several locations began
establishing an energy management system (EnMS) in accordance with DIN EN ISO 50001. The new EnMS is being
created simultaneously in all of the company’s German
operations. BFI employees are acting as consultants to the
company during this process. After defining an energy
policy and appointing an energy management officer, an
Energy Team composed of members from all company
sites was set up to perform the project work. One of the
first tasks to be undertaken was to systematically record
all of the energy resources used and to evaluate the energy
demand of the individual locations. Similarly, the energy
costs were recorded and assessed for all sites over a period
of 12 months. In the meantime, the company has obtained
confirmation that it complied with the requirements of the
Tax Cap and Efficiency System Ordinance (SpaEfV) in 2013.
In 2014, the energy distribution at the different locations
is to be documented in more detail and additional meters
are to be installed. A newly set up energy monitoring system with monthly reporting schedules provides yet more
transparency for evaluating energy efficiency. A variety
of new projects have been launched in order to identify
further potentials for saving energy in all areas of the
company. BFI continues to support the Energy Team in
implementing these measures. Overall certification of the
EnMS to DIN EN ISO 50001 is planned for 2015.
bernhart.stranzinger@bfi.de
2 Erwärmtes Schmiedestück beim Transport vom Schmiedeofen zur Freiformschmiede
Heated forging stock during transport from the furnace to the open-die forge
19
Energiemanagement und Gastechnik · Energy Management and Gas Technology Optimierte Stromnutzung mittels Laststeuerung
Cost reduction by means of demand control
In der Stahl- und Eisenindustrie werden zur Herstellung qualitativ hochwertiger Produkte u. a. große Mengen
an Strom benötigt. Viele integrierte Hüttenwerke verfügen über ein Kraftwerk, um den Eigenbedarf an Strom
mittels Prozessgasverstromung größtenteils zu decken.
Elektrostahlwerke mit Elektrolichtbogenöfen haben keine
eigenen Kraftwerke und sind auf den Strom aus dem öffentlichen Netz angewiesen. Produktions- und Verfahrensbedingt
kommt es bei der Stahlherstellung zu großen Schwankungen
sowohl im Strombedarf als auch bei der Stromproduktion
durch prozessgasbetriebene Kraftwerke. Zur Stabilisierung
der angeschlossenen öffentlichen Stromnetze müssen Erzeuger und Verbraucher der Werke kurz-, mittel-, und langfristig
aufeinander abgestimmt werden. Dieses erfordert die Entwicklung von Managementsystemen mit Prozessmodellen
und Prognosefunktionen für die relevanten Anlagen. Durch
die Implementierung der Systeme zur Laststeuerung kann
der Strombedarf besser mit den lokalen Stromlieferanten
abgestimmt und günstigere Strompreise erzielt werden.
In the steel and iron industry, large amounts of electricity are required to produce high-quality products. Many
integrated steel works have their own power plant which
uses process gases to generate enough electricity to meet
most of their requirements. Enterprises making electric
steel with EAF furnaces do not have their own power plants
and have to rely on electricity from the public grid. For
production and process reasons, there can be large swings
in the electricity demand during steel production and in
the amount of electricity generated by process-gas-driven
power plants. To stabilise the public grids to which the
works are connected, the power generators and consumers inside the works must be coordinated in the short,
medium and long term. This calls for the development of
management systems with process models and prediction
functions for the equipment concerned. The introduction
of demand control systems allows the electricity demand
to be better coordinated with the local electricity suppliers
and so to obtain lower electricity prices.
Am BFI werden Auftrags- und Forschungsvorhaben zu diesen Themen in enger Zusammenarbeit mit der Stahl- und
Eisenindustrie durchgeführt. Ein Beispiel ist der sog. Flexi-Furnace. Hierbei handelt es sich um ein hybrides Beheizungssystem für Industrieöfen. Die Beheizung kann hier sowohl
konventionell mit gasförmigen Brennstoffen, als auch elektrisch erfolgen. Ziel ist es, eine Win-Win-Situation für Netzbetreiber, Energieerzeuger und Ofenbetreiber (Verbraucher) zu
schaffen, indem kostengünstiger Strom aus Überkapazitäten
hoch flexibel zur Ofenbeheizung genutzt werden kann. Durch
die Redundanz des Beheizungssystems bleibt der eigentliche
Wärmprozess hiervon unbeeinflusst und fossile Energieträger wie Erdgas können (temporär) durch günstigen Strom
aus erneuerbaren Energiequellen ersetzt werden. Zusätzlich
kann dem Netzbetreiber eine neue potente Regelgröße zur
Stabilisierung seiner Netze angeboten werden.
At BFI, contract assignments and research projects on this
topic are being conducted in close collaboration with the
steel and iron industry. One example of this is flexi-furnace.
These are hybrid heating systems for industrial furnaces
which can be operated by conventional gas firing or by
electricity. The aim is to achieve a win-win situation for
grid operators, energy producers and furnace users (consumers) by making it possible to utilise low-cost surplus
electricity in a highly flexible manner to heat furnaces.
The redundant design of the heating system is such that
the heating process itself is unaffected, and fossil energy
carriers such as natural gas can be (temporarily) replaced
by affordable electric power from renewable energy sources. Furthermore, this solution offers grid operators a new
and effective way to stabilise electric power levels their
own networks.
wolfgang.bender@bfi.de
Beurteilung von großtechnischen Gasnetzen
und Erarbeitung von Verbesserungsmaßnahmen
mittels Berechnungsergebnissen
development of improvement measures based
on calculation results
Um großtechnische Gasnetze effizient und wirtschaftlich
zu betreiben, müssen diese u. a. bei definierten Druck- und
Strömungsbedingungen betrieben werden. Plötzliche Veränderungen u. a. bei Druckstößen führen bei den angeschlossenen Anlagen z. B. zu einer unvollständigen Verbrennung
bis hin zu Anlagenstörungen oder Sicherheitsabschaltungen.
Daher werden Gasnetze z. B. für Gicht-, Koksofen- sowie Konvertergas systematisch untersucht und gasnetztechnische
Berechnungen durchgeführt. Ziel der Untersuchungen ist
die Erarbeitung von Verbesserungsmaßnahmen zur Sicherstellung der Gasversorgung und die Erhöhung der Anlagenleistung. Das BFI hat daher zahlreiche Untersuchungen im
Bereich großnetztechnischer Gasnetze durchgeführt.
Operating industrial-scale gas networks efficiently
and economically depends on a number of parameters,
including maintaining defined pressure and flow levels.
Sudden changes, for example pressure surges, can result
in incomplete combustion in the plants fed by the network, or even plant malfunctions or safety shutdowns.
The gas networks for top gas, coke oven gas or converter
gas, for example, are therefore systematically inspected
and gas network calculations are performed. The aim of
these investigations is to develop ways of improving the
networks to assure the gas supply and to increase plant
performance. BFI has therefore carried out numerous
examinations of large-scale gas networks.
20
Mit der eingesetzten Software können stationäre und
transiente Berechnungen für inkompressible Flüssigkeiten
und kompressible Gase in Leitungsnetzwerken durchgeführt werden. Die Software basiert auf der Stromfadentheorie und ist eindimensional und modular aufgebaut. Die
einzelnen Module werden für die spezifische Aufgabenstellung ausgewählt und entsprechend zu einem Netzwerk
verknüpft. Die Simulation stationärer Zustände ermöglicht
die Analyse von Volumen- und Massenstromverteilungen,
Temperatur- und Wärmestromverteilungen, Druckverteilungen, Geschwindigkeiten und Stoffgrößenveränderungen
(Dichte, Viskosität, usw.). Durch transiente Berechnungen
können die oben genannten Größen für zeitabhängige
Vorgänge untersucht und bewertet werden.
In Bild 3 sind beispielhaft Untersuchungsergebnisse
eines Gichtgasnetzwerkes dargestellt. Es ist der berechnete
Gichtgasdruck als Funktion der Zeit nach einem plötzlichen herunterfahren eines Kraftwerkes an unterschiedlichen Positionen im Gichtgasnetz dargestellt. Am Verlauf
der untersten Linie wird deutlich, dass der Druckstoß im
Gichtgasnetz nach ca. 6 s mit rd. 100 mbar sein Maximum
erreicht hat. Die anderen Linien zeigen den Druckverlauf
an weiteren relevanten Positionen im Gichtgasnetz. Mit
diesen und weiteren Berechnungen konnten Maßnahmen
zum sicheren Betrieb des Gichtgasnetzes und des angeschlossenen Kraftwerkes erarbeitet werden. Die Anfangs
geplante Anschaffung einer Fackelanlage zur Senkung des
plötzlich auftretenden Gasnetzdruckes konnte nachweislich vermieden werden. Dieses bedeutete eine erhebliche
Kostenersparnis.
The software used permits calculations to be performed
for steady-state and transient conditions for incompressible
liquids and compressible gases in piping networks. It is
based on the flow filament theory and has a one-dimensional and modular architecture. The individual modules
are selected as appropriate for the task in hand and are
linked up to map the network. Simulation of steady-state
conditions makes it possible to analyse volume and mass
flow distributions, temperature and heat flow distributions, pressure distributions, and changes in fluid variables (density, viscosity, etc.). Calculation of transient states
allows the above factors to be examined and evaluated for
time-dependent processes.
Fig. 3 , which shows the results obtained for a top gas
network, is provided as an example. This gives the calculated top gas pressure over time after the sudden shutdown
of a power plant at different positions in the top gas network. These and further calculations were used to develop
measures for safe operation of the top gas network and the
associated power plant. The initially planned procurement
of a flare system to relieve sudden peaks in gas network
pressure was demonstrably avoided. This resulted in considerable cost savings.
3 Hochofengasdruck als Funktion der Zeit und Position im Netzwerk
Top gas pressure as a function of time and location in the top gas network
21
Energiemanagement und Gastechnik · Energy Management and Gas Technology Messen und Regeln von Schwankungen in der
Gasbeschaffenheit
Measuring and controlling variations in gas
quality
In integrierten Hüttenwerken werden zur Schonung
von Ressourcen und zur Erhöhung der Energieeffizienz
erfolgreich die anfallenden Prozessgase an Feuerungsanlagen eingesetzt. Durch den gezielten Einsatz dieser Prozessgase wird der Erdgaseinsatz z. T. deutlich reduziert
oder sogar vollständig substituiert. Erdgase und Prozessgase
unterliegen jedoch starken Schwankungen in der Zusammensetzung. Heizwert und Mindestluftbedarf können speziell bei Prozessgasen um bis zu 20 % variieren. Auch die
Flammentemperatur, die spezifischen Emissionen und die
Wärmeübertragungseigenschaften hängen stark von der
Gaszusammensetzung ab. Um eine effiziente Nutzung der
Brenngase und eine gezielte Verbrennungsgasatmosphäre
sicherzustellen, ist die genaue und vor allem kontinuierliche Kenntnis der Gaseigenschaften erforderlich. Bei derartigen Schwankungen weisen aktuelle Messverfahren eine
relativ hohe Messungenauigkeit auf. Eine kontinuierliche
Gasanalyse zur Bestimmung der Gaseigenschaften ist sehr
aufwändig und teuer.
In integrated steelworks, process off-gases are successfully being used in firing installations to conserve resources
and to increase energy efficiency. Targeted use of these
process gases can in some cases significantly reduce the
amount of natural gas required or even completely substitute it. However, the composition of both natural gases
and process off-gases varies widely. Particularly in the case
of process gases, the calorific value and the minimum air
demand can vary by up to 20%. The flame temperature,
specific emissions and the heat transfer characteristics also
depend heavily on the composition of the gas. In order to
utilize these fuel gases efficiently and ensure a controlled
combustion atmosphere, it is essential to know the exact
characteristics of the gas and, especially, to have such data
monitored continuously. With variations of this magnitude,
the commonly available measuring techniques show relatively high levels of uncertainty. Continuous gas analysis to
determine the gas characteristics is very complex and costly.
Das BFI hat in Zusammenarbeit mit Messgeräteherstellern und Anlagenbetreibern in einem gemeinsamen
Forschungsvorhaben ein Messsystem entwickelt, das die
In collaboration with measuring instrument manufacturers and plant users as partners in a joint project, BFI has
developed a measuring instrument capable of continuously
measuring the relevant fuel characteristics – calorific val-
4 Demonstrator des entwickelten universellen Brenngasmessgerätes
Demonstrator of the developed universal fuel gas measurement system
22
relevanten verbrennungstechnischen Eigenschaften –
Heizwert, Mindestluftbedarf, Dichte und Wobbezahl –
kontinuierlich misst und als Regelgrößen zur Verfügung
stellt, siehe Bild 4 . Durch dynamische Korrelationen wurde
eine gleichbleibende hohe Messgenauigkeit über sämtliche
Prozessgase der Eisen- und Stahlindustrie sowie für Erdgase
und deren mögliche Gasgemische erzielt. Durch systematische Weiterentwicklung der hinterlegten Gasmodelle wird
aktuell ein Verfahren entwickelt, das weitere Eigenschaften der Flammen- und Wärmeübertragungscharakteristik abbildet. Hierdurch können z. B. Winderhitzer oder
Wiedererwärmungsöfen effizienter und wirtschaftlicher
betrieben werden.
ue, minimum air requirement, density and Wobbe index
– and providing these as control variables, see Fig. 4 . By
means of dynamic correlations, it has thus been possible
to achieve uniformly high measuring accuracy across all
process gases in the iron and steel industry, as well as for
natural gas and any mixtures of these gases. Through systematic refinement of the underlying gas models, a method
is currently being developed to map further features of the
flame and heat transfer characteristics. This will enable
more efficient and cost-effective operation of, for example,
hot-blast stoves or reheating furnaces.
Stromerzeugung mittels ORC
Utilising the waste heat from forging furnaces to
generate electric power with the help of ORC
Am Beispiel eines Schmiedebetriebes sollte die Stromerzeugung aus bislang ungenutzter Abgasabwärme von
4 Schmiedeöfen demonstriert werden. Mittels Langzeitbetriebsmessungen wurden im ersten Schritt die Abwärmepotentiale der Schmiedeöfen ermittelt. Des Weiteren wurde ein
Ofenbilanzierungsprogramm zur Abschätzung und Vorhersage der zu erwartenden Wärmeströme in Abhängigkeit der
jeweiligen Betriebszustände der Schmiedeöfen entwickelt.
Anhand der ermittelten Randbedingungen sind verschiedene Abwärmeverstromungsverfahren in ihrer Umsetzbarkeit
technisch-wirtschaftlich bewertet worden. Ergebnis war, dass
der Organic Rankine Cycle (ORC) am geeignetsten ist, da
dieser mit geringen Betriebs- und Wartungskosten, ohne
The aim of a collaborative project was to demonstrate the
feasibility of generating electricity in a forging shop by using
the hitherto unused waste heat from 4 forging furnaces.
The first step was to conduct long-term measurements on
the facilities to determine the waste potentials of the forging furnaces. Based on energy balance equations, a furnace
balance program was created to estimate and predict the
expected heat flows as a function of the operating statuses of the forging furnaces. Using the identified boundary
conditions, various methods for converting waste heat to
electric power were assessed according to their technical
and economic feasibility. The Organic Rankine Cycle (ORC)
was selected as the most promising option since this method
5 ORC-Anlage auf dem Werksgelände des Schmiedebetriebs
ORC plant located at the site of the forging company
23
Energiemanagement und Gastechnik · Energy Management and Gas Technology spezialisiertes Personal sowie gut im Teillastbetrieb und diskontinuierlich betrieben werden kann. Zur Installation der
ORC-Anlage waren zunächst zahlreiche Arbeiten bezüglich
des Engineerings und der Anpassung des Abgassystems der
Schmiedeöfen durchzuführen. Die ORC-Anlage wurde Anfang 2012 installiert, siehe Bild 5 , und verfügt über vier
75 kW-Turbinen zur Stromgewinnung. Der Abwärmestrom
beträgt maximal rd. 2.100 kW mit einer Temperatur von rd.
550°C. Nach der Inbetriebnahme traten zunächst erhebliche Betriebsstörungen auf (z. B. Ausfall der Speisepumpen
und Turbinen, Undichtigkeiten und Verunreinigungen des
Arbeitsmittelkreislaufs), die einen kontinuierlichen Langzeitbetrieb verhinderten.
allows either intermittent or continuous operation, while
the operating and maintenance costs are low and no special
operator training is required. Before the ORC system could be
installed, a series of engineering tasks had to be performed
and the waste gas system of the forging furnaces needed to
be adapted to accommodate it. The ORC system was then
installed in early 2012, see Fig. 5 . It comprises four 75 kW
turbines for generating electric power from a waste heat
flow of a maximum of around 2,100 kW at a temperature of
approximately 550 °C. After commissioning, activities were
initially hampered by repeated disruptions (e.g. failure of
feed pumps and turbines, leakages and contamination of
the operating medium circuit) which prevented continuous
long-term operation.
Seit Ende 2013 läuft die Anlage ohne Betriebsstörungen. In den ersten 8 Wochen des Jahres 2014 wurde eine
Stromproduktion von 100 MWh erzielt. Weitere Optimierungsarbeiten sind geplant.
Since the end of 2013, the system has been running
fault-free. In the first 8 weeks of 2014, electricity generation
reached 100 MWh. Further optimisation work is planned.
Wiederverwendung der Nieder
temperaturabwärme (<350°C) zur Verminderung
des CO2-Ausstosses in der Stahlindustrie
(<350 °C) to reduce CO2 emissions in the steel
industry
Zur Stahlproduktion und –verarbeitung sind Temperaturen über 1000°C notwendig. Daher fällt bis zu 70%
der Primärenergie als Abwärme an. Die Abwärme wird
zum Teil in die Prozesse zurückgeführt und zum Teil an
die Umgebungsluft abgegeben. Durch eine weitergehende
Wiederverwendung der Abwärme könnten Energiekosten
und CO2-Ausstoss reduziert und die Wettbewerbsfähigkeit
der Europäischen Stahlindustrie erhöht werden.
Steel production and processing requires temperatures of
over 1000°C. As a result, up to 70% of the primary energy
becomes waste heat. This waste heat is partly recovered
and returned to the processes and partly dissipated to the
surrounding air. By utilising more of this waste heat it
would be possible to reduce energy costs and carbon emissions and increase the competitiveness of the European
steel industry.
In einem abgeschlossenen europäischen Forschungsprojekt untersuchte das BFI zusammen mit sechs Projekt-
In a completed European research project, BFI and six
project partners from the research and industrial communi-
6 Investitionsrücklaufzeit und maximales Energieeinsparungspotential für verschiedene Maßnahmen zur Nutzung der Niedertemperaturabwärme in einem Hüttenwerk
Payback time and maximal energy saving potential for various low temperature waste heat recovery measures in steel works
24
partnern aus Forschung und Industrie Möglichkeiten zur
Verminderung des CO2-Ausstosses durch die Nutzung der
Niedertemperaturabwärme. Das Ziel war die Entwicklung
von Konzepten und Werkzeugen zu Umwandlung, Transport und Speicherung der Abwärme bei Temperaturen
unter 350°C.
Hierfür wurden in Europäischen Hüttenwerken relevante
Abwärmeströme gemessen und Wiederverwendungsmöglichkeiten überprüft. Die Wirtschaftlichkeit der Energieeinsparung
und der Verminderung des CO2-Ausstosses durch die Nutzung
der Niedertemperaturabwärme wurde mit Hilfe des Modells
eines virtuellen Hüttenwerkes mit der Jahreskapazität von
4 Mio t Coil abgeschätzt (Bild 6 und Bild 7 ). Das Model wurde
auf Basis von Messdaten mit Hilfe von ReMIND Software erstellt.
Während die Abwärme im Abgas meistens mit bekannten Technologien wiederverwendet werden kann, sind solche Abwärmequellen wie Kühlwasser und heiße Produkte
schwer erschließbar. Die Abwärme im Kühlwasser (bis 30°C)
kann theoretisch mit einer Wärmepumpe auf 60-70°C angehoben werden. In der Regel fehlt es im Hüttenwerk an
Wärmebedarf im entsprechenden Temperaturbereich oder
diese kann kostengünstiger gedeckt werden. Im Rahmen
dieses Forschungsprojektes wurden Betriebsversuche zur
Erfassung der Strahlungswärme von heißen Brammen erfolgreich durchgeführt. Ein Pilotvorhaben ist in Planung.
matthias.kozariszczuk@bfi.de
ties investigated the possibilities for reducing CO2 emissions
by utilising low-temperature waste heat. The aim was to
develop concepts and tools for converting, transporting and
storing waste heat with a temperature of less than 350°C.
For this purpose, the relevant waste heat flows were
measured in European steel mills and the possibilities of
putting them to use were reviewed. The economic efficiency of saving energy and reducing carbon emissions by
utilising low-temperature waste heat was estimated with
the help of a model of a virtual steel mill with an annual
capacity of 4 million t of coil (Fig. 6 and 7 ). The model
was created from measured data using ReMIND software.
While the waste heat in off-gas can usually be recuperated and used with known technologies, capturing that
heat from sources such as cooling water and hot products
is considerably more difficult. Theoretically, the waste heat
in cooling water (up to 30 °C) can be raised to 60-70°C by
means of a heat pump. In most cases, there is no requirement for heat in that temperature range in steelworks, or
those requirements can be met more cost efficiently in other
ways. In the course of this research project, operating trials
to capture the radiation heat from hot slabs were successfully completed. A pilot project is in the planning stage.
Verstromung von Abwärme mittels
thermoelektrischer Generatoren
of thermoelectric generators
Am BFI wird in nationalen und internationalen Forschungs- und Entwicklungsprojekten die Stromerzeugung
industrieller Abwärme mittels thermoelektrischer Genera-
At BFI, the technical and economic aspects of generating
electricity from industrial waste heat by means of thermoelectric generators (TEG) is being studied in national
7 Investitionsrücklaufzeit und maximales CO2-Verminderungspotential für verschiedene Maßnahmen zur Nutzung der Niedertemperaturabwärme in einem Hüttenwerk
Payback time and maximal CO2 abatement potential for various low temperature waste heat recovery measures in steel works
25
Energiemanagement und Gastechnik · Energy Management and Gas Technology toren (TEG) technisch und wirtschaftlich untersucht. Durch
die industrielle Implementierung von Verstromungsverfahren aus Abwärme werden Ressourcen effizienter eingesetzt und CO2-Emissionen minimiert. Eines der Verfahren
ist die Verstromung mittels TEG. Thermoelektrische (TE)
Module ermöglichen die direkte Umwandlung von Wärme
in elektrische Energie. Nach dem Seebeck-Effekt entsteht
eine elektrische Spannung zwischen den Enden eines elektrischen Leiters oder Halbleiters, wenn diese Enden sich
auf einem unterschiedlichen Temperaturniveau befinden.
Zur Charakterisierung von TE-Modulen und zur Bestimmung des Einflusses relevanter Abwärme-Parameter wie
Temperatur, Art des Wärmetransports (Leitung, Konvektion
oder Strahlung, etc.), wurde eine Testanlage entwickelt,
siehe Bild 8 . Maßnahmen zur Optimierung des Wärmestroms und damit zur Stromerzeugung können hiermit
untersucht und quantifiziert werden. In Kombination mit
ermittelten Betriebsdaten werden Demonstrator-Anlagen
bis zum einstelligen kW-Bereich für den industriellen
Einsatz entwickelt und getestet. Die Demonstrator-Anlagen werden kontinuierlich verbessert und im Hinblick
auf Wirtschaftlichkeit und Ressourceneffizienz bewertet.
Des Weiteren werden Konzepte zur technisch und wirtschaftlich sinnvollen Integration der TEG an die jeweilige
Anlage erarbeitet.
and international research and development projects. The
implementation of power generation from waste heat in
industrial facilities results in more efficient use of resources,
minimises CO2 emissions, enhances equipment efficiency
levels, and protects the climate. One such method is electricity generation using TEGs. Thermoelectric (TE) modules
permit direct conversion of heat to electrical energy. By
what is known as the Seebeck effect, electrical tension
(voltage) builds up between the ends of an electrical conductor or semiconductor when these ends are at different
temperatures.
A test system was developed, see Fig. 8 , to characterise
TE modules and determine the influence of relevant waste
heat parameters such as temperature, type of heat transport
(conductor, convection or radiation, etc.). This makes it
possible to investigate and quantify measures to optimise
the flow of heat and hence the generation of electricity.
By combining these with recorded operating data, demonstrator units up to the single-digit kW range are being
developed and tested for industrial use. The demonstrator
units are being continuously improved and evaluated in
terms of cost and resource efficiency.
8 Testanlage für Abwärmeverstromung mittels thermoelektrischer Generatoren
Testing facility for waste heat power generation using thermoelectric generators
26
Sicherheitstechnik / DVGW
Sachverständigenstelle
Safety Technology / DVGW Expert Advisory
Services
Der DVGW (Deutscher Verein des Gas- und Wasserfaches e. V.) hat das BFI als Sachverständigenstelle für die
industrielle Gasverwendung anerkannt. Im Rahmen der
Sachverständigentätigkeit des BFI werden ingenieur-, prozess- und sicherheitstechnische Beratungen u. a. zu Themen
der Gastechnik und des Explosionsschutzes durchgeführt.
Es wurden Gefährdungsbeurteilungen für hüttentechnische
Anlagen erstellt. Die Gefährdungsbeurteilungen basieren
u. a. auf der Ermittlung der Gefährdungen für verschiedene
Betriebszustände der Anlagen und der resultierenden Risiken. Es wurden Explosionskenngrößen in Abhängigkeit von
Druck und Temperatur berechnet. Zur Minimierung und/
oder Vermeidung der ermittelten Gefährdungen wurden
Maßnahmen des konstruktiven, technischen und organisatorischen Explosionsschutzes festgelegt. Hierzu gehören
auch die SIL-Klassifizierung erforderlicher PLT-Schutzeinrichtungen innerhalb des technischen Explosionsschutzes
und die Einteilung von Explosionszonen, siehe Bild 9 .
BFI is a DVGW-approved (Deutscher Verein des Gas- und
Wasserfaches: German Association for the Gas and Water
Industry) expert body on industrial gas utilization. During
its activities in this capacity, BFI provides expert advice on
engineering, process and safety matters on topics such
as gas engineering and explosion protection. Risk assessments for metallurgical installations have been drawn up.
These are based on identifying all possible hazards in the
different operating modes of equipment being considered
and determining the risks resulting from such hazards.
Explosion parameters have been calculated as a function
of pressure and temperature. Design, technical and organisational explosion protection measures were then specified
to minimise and/or avoid the identified hazards. These
include SIL classification of the required process control
safety devices and systems for technical explosion protection, and classification and zoning of areas with potentially
explosive atmospheres (Fig. 9 ).
Zudem arbeitet das BFI in gemeinsamen Arbeitskreisen
von DVGW und VDMA an der Aktualisierung europäischer
Normen zur Gasanwendung schwerpunktmäßig im Bereich
industrieller Thermoprozesstechnik mit. Des Weiteren
werden Informationen für Hersteller und Betreiber von
Thermoprozessanlagen erarbeitet und öffentlich gemacht.
Themen sind u. a. Stand und Veränderungen relevanter
Normen, Prozesssicherheit (z. B. Instandhaltung, frühzeitiger Austausch von Verschleißteilen) sowie Minimierung
von Gefahrenquellen durch technische, konstruktive und
organisatorische Maßnahmen gegen Personen-, Umweltund Anlagenschäden.
BFI is also an active participant in joint working groups
of DVGW and VDMA concerned with updating European
standards on the use of gas, mainly in the area of industrial
thermal process engineering. A further aim is to prepare
and publish information for manufacturers and users of
thermal processing plant and equipment. Topics treated
include, the status of and amendments to relevant standards, process safety (e.g. maintenance, early replacement
of wear parts), minimisation of hazard sources through
technical, design and organisational measures to prevent
personal injury and damage to the environment and industrial property.
9 Beispiel eines Risikographen zur Ermittlung der SIL-Klassifizierung
Example of a risk graph for determining SIL classification
27
Wärme- und Verbrennungstechnik
Heat and Combustion Technologies
NOx-Abbau – Energieeffiziente Entstickung der
Stahlbeizen
steel pickling baths
Steigerung von Beheizungsqualität und Energie
effizienz in Wärmebehandlungsöfen auf Basis
neuer Hoch-Impuls-Brenner
Steigerung von Energieeffizienz und Wirkungsgrad an Banderwärmungsöfen durch neue
luftgekühlte Gut-Transportrolle
Betriebsorientierte numerische Simulation zur
Optimierung von Feuerungsanlagen in der
Eisen- und Stahlindustrie
Enhancement of heating performance and energy
efficiency in heat treatment furnaces based on
new high-velocity pulse burners
Increasing the energy efficiency and performance
of strip heating furnaces by means of new aircooled stock transport rollers
optimise firing installations in the iron and steel
industry
Verbesserte Temperaturerfassung in Wärmöfen
Advanced temperature measurement in reheating
furnaces
34
Neuartiger keramischer Hochtemperaturrekuperator zur Steigerung der Energieeffizienz von
Prozessfeuerungen
Novel ceramic high-temperature recuperator to
increase energy efficiency of process furnaces
35
Rohrregenerator-Brenner-System
Tubular regenerator burner system
36
Optimierung von regenerativen Wärmeübertragern
Optimisation of regenerative heat transfer systems
37
Beheizung von Wärm- und Wärmebehandlungsöfen
New regenerative lean gas burner for firing reheating and heat treatment furnaces
38
Wichtiger Baustein zur Optimierung von Brenner- und Beheizungssystemen: Die BFI-Brenner
versuchsanlage
Important component for optimising burner and
firing systems: The BFI burner testing facility
39
Wärmestellenarbeiten
Fuel department activities
40
29
30
31
32
NOx-Abbau – Energieeffiziente Entstickung der
Stahlbeizen
steel pickling baths
Bei einer Vielzahl von industriellen Prozessen entstehen
stickoxidhaltige Abluftströme, wie z. B. beim Beizen in der
Edelstahlproduktion. Diese stickoxidhaltige Abluft muss
zur Unterschreitung gesetzlicher Grenzwerte gereinigt
werden. Dazu kommen in der Regel katalytische Verfahren mit zusätzlicher Vorwärmung der Abluft zum Einsatz.
Im Rahmen eines Forschungsvorhabens mit industriellen
Partnern wurden innovative neuartige Anlagenkombinationen untersucht. Zum einen besteht die Möglichkeit die
NOx-haltige Abluft der Beize den Brennern im Glühofen
als Brennluft zuzuführen oder zum anderen Abwärme
aus dem Glühofen zur Vorwärmung der NOx-Abluft für
die Katalyse bereitzustellen. Bei beiden Varianten entfällt
der Einsatz von Erdgas zur Auf heizung der Beizabluft auf
Katalysatortemperatur, wodurch ein wesentlicher Beitrag
zur Verringerung des Brennstoffeinsatzes und zur Senkung
der CO2-Emission geleistet wird.
Many industrial processes, such as pickling in stainless
steel production facilities, generate exhaust air laden with
nitrous oxides. This nitrous-oxide containing air has to
be cleaned to ensure it remains within regulatory limits.
Generally, this is done using catalytic processes with prior
heating of the exhaust air. Within the scope of this research
project, an innovative new way of linking up the facilities
was investigated in cooperation with industry partners.
It offers the possibilities to, on the one hand, feed the
burners in the annealing furnace with the NOx-containing
exhaust air from the pickling line as combustion air, or, on
the other hand, to use the waste heat from the annealing
furnace to preheat the NOx-containing exhaust air. Both
of these options eliminate the need to use natural gas to
heat the exhaust air from the pickling shop to catalytic
converter temperature, thus making a major contribution
to reducing fuel consumption and carbon emission levels.
Wesentlicher Forschungsschwerpunkt war die Entwicklung eines neuen Spezialbrenners, bei dem die NOx-haltige
Abluft als Brennluft eingesetzt wird. Durch eine gezielte Reaktionsführung bei der Verbrennung in Industriebrennern
kann NOx reduziert werden. Dazu wurden experimentelle
und numerische Untersuchungen durchgeführt und bewertet. Unter idealen Prozessbedingungen ist eine NOx-Reduktion bis zu 90 % bei den gewählten Ausgangskonzentrationen erreicht worden, siehe Bild 10 . Entscheidend sind
die Bedingungen in der Primärzone, wie z. B. die Luftzahl.
Die Erkenntnisse aus diesen Untersuchungen führten zur
Entwicklung eines variabel gestalteten Versuchsbrenners.
Dabei wurden die grundlegenden Bedingungen, wie aus-
The main focus of the research was the development of
a new special burner capable of operating with NOx-containing exhaust air as combustion air. NOx can be reduced
by controlling the reactions during combustion in industrial burners. To achieve this, experimental and numerical studies were conducted and the results evaluated. Under ideal process conditions, an NOx reduction of up to
90% was achieved for the chosen starting concentrations
(Fig. 10 ). The decisive factors are the conditions in the primary combustion zone, such as the air index. The findings
obtained in these studies led to the development of a test
burner with a variable design. The basic preconditions,
such as ensuring a sufficiently long dwell time when the
10 Massenstrom-Reduktionsgrad bei variierender Ofenraumtemperatur und Primärluftzahl sowie einer Einspeisekonzentration von 2.000
ppm NO
Degree of reduction in mass flow for varying furnace chamber temperatures and primary air index and with a feed concentration of
2,000 ppm NO
29
Wärme und Verbrennungstechnik · Heat and Combustion Technologies
reichende Verweilzeit bei geringer Primärluftzahl, in eine
technisch einsetzbare Spezialbrennerkonstruktion übertragen. Die unter realen Betriebsbedingungen erreichte max.
NOx-Reduktionsrate betrug rd. 70 %. Die NOx-Neubildung
aufgrund der Sekundärluftzugabe in der überstöchiometrischen Verbrennungsstufe ist weiter zu optimieren.
Für bestehende Anlagen wurden Konzepte zur energetischen Nutzung der Abwärme aus dem Glühofen erarbeitet
und bewertet. Generell bietet sich eine Abgaswärmenutzung nicht nur zur Brennluftvorwärmung, sondern auch
zur Vorwärmung der Beizabluft vor der Katalyse oder als
Brennluft an einem weiteren Nutzer, z. B. in einem Kessel,
an.
primary air index is low, were transferred to a technically
feasible special burner design. The maximum NOx reduction rate achieved under real operating conditions was
approximately 70%. The problem of generation of new NOx
compounds as a result of secondary air input will require
further investigation. As an alternative, various concepts
for utilising the energy contained in the waste heat from
the annealing furnace were elaborated and evaluated. In
general, the utilisation of waste heat is conceivable not
only for preheating combustion air, but also to preheat
the pickling line exhaust air prior to catalysis or to provide
combustion air for a further consumer, such as a boiler.
Steigerung von Beheizungsqualität und
Energieeffizienz in Wärmebehandlungsöfen auf
Basis neuer Hoch-Impuls-Brenner
Enhancement of heating performance and
energy efficiency in heat treatment furnaces
based on new high-velocity pulse burners
Durch die Entwicklung eines neuartigen energieeffizienten und emissionsarmen Beheizungsverfahrens soll der
Energiebedarf von Wärmebehandlungsöfen mit Prozesstemperaturwerten bis etwa 1.000 °C nachhaltig gesenkt
werden. Grundlage hierfür sind die Entwicklung und der
Einsatz neuer, bislang nicht verfügbarer Hoch-Impuls-Brenner. Diese Brenner werden sich durch eine hoch innovative
interne Prozessführung auszeichnen, wodurch in allen
Betriebssituationen erheblich höhere Impulsströme in den
Ofenraum eingebracht werden, als es mit bisher verfügbaren Impuls-Brennern möglich ist. Die Umwälzung der
Ofenatmosphäre wird so in allen Betriebssituationen intensiviert. Zudem werden die neuen Brenner, kombiniert mit
The aim of the research project is to lower the energy
demand of heat treatment furnaces with processing temperatures of up to approximately 1,000 °C through an innovative energy-efficient and low-emission heating method.
This is based on the development and use of new high-velocity pulse burners of a type that has not been available
to date.
These burners will be characterised by highly innovative
internal combustion management by which gases will be
injected into the furnace chamber at considerably faster
rates than is possible with existing pulse burners. This will
11 Strömungs- und Temperaturverhältnisse im Bereich des Verbrennungsaustritts an einem Impuls-Brenner
Flow and temperature conditions around the combustion gas exit point in a pulsed burner
30
einer optimierten Ausrichtung am Ofengefäß und neuen
Steuerungskriterien, eine verbesserte lokale Beeinflussung
der Ofenatmosphärenumwälzung erlauben.
So kann zum einen die mittlere konvektive Wärmeübertragung an das Nutzgut in allen Betriebssituationen
gesteigert werden, was die Aufwärmzeit entsprechend
verkürzt. Zum anderen kann der Wärmeeintrag, durch
die Möglichkeit der lokalen Beeinflussung der Atmosphärenumwälzung, maßgeblich vergleichmäßigt werden, was
die erzielbare Behandlungsqualität steigert und Qualitätsstreuungen reduziert.
Das neue Beheizungsverfahren steigert somit sowohl die
Behandlungsqualität als auch die energetische Effizienz der
Anlage, da eine Erhöhung des spezifischen Wärmeeintrags
in das Nutzgut direkt zur Reduzierung der Abgasverluste
genutzt werden kann. Darüber hinaus werden leistungsunabhängige Verluste wie beispielsweise Wand-, Bodenund Abstrahlungsverluste durch die verkürzten Behandlungszeiten minimiert, was neben der entsprechenden
Brennstoffeinsparung auch jeweils zu einer Reduzierung
der CO2-Freisetzung führt.
accelerate the circulation of the furnace atmosphere in
all operating modes. In addition, the new burners, along
with optimised orientation at the furnace shell and new
control criteria, will permit improved local control of furnace atmosphere circulation.
This will increase the average convective heat transfer
into the charged stock in all operating situations, which
will reduce the heating time according. Furthermore, by
being able to influence the recirculation of the atmosphere locally, it will be possible to achieve significantly
more uniform heat input, which in turn will increase the
attainable quality of treatment and reduce the spread of
treatment results.
The new heating method will thus not only improve the
quality of heat treatment but will increase the energy efficiency of the plant, since an increase in the specific heat input
into the stock will have a direct impact by reducing waste gas
losses. Beyond this, losses unrelated to performance, such as
heat dissipation from walls, bottom and through radiation
will be minimised due to the shorter treatment times. This
will not only save on fuel but also reduce CO2 emissions.
Außerdem werden die neuen Hoch-Impuls-Brenner auch
die Bildung von thermischen Stickoxiden (NOx) während
der Verbrennung effektiv hemmen, und zwar ohne den erzeugten Impulsstrom des Brenners negativ zu beeinflussen,
was bei den heute üblicherweise eingesetzten Maßnahmen
zur NOx-Minderung funktionsbedingt nicht möglich ist.
Auch diese nachhaltige Verbesserung der Abgas-Emissionswerte wird durch die neue innovative brennerinterne
Prozessführung erreicht werden.
Another advantage is that the new high-velocity pulse
burners will effectively inhibit the formation of thermal
nitrogen oxides (NOx) during combustion, while having no
negative effect on the pulsed flow generated by the burners,
which is something that is currently not possible due to the
functional design of the measures commonly used to abate
NOx emissions. This sustainable improvement in exhaust
gas emission levels will also be achieved through the innovative new combustion management inside the burners.
Die Entwicklungsarbeiten finden in enger Zusammenarbeit mit Industriepartnern im Rahmen eines national
geförderten Projektes statt.
The development work is being conducted in close collaboration with industrial partners in a nationally funded
project.
Steigerung von Energieeffizienz und
Wirkungsgrad an Banderwärmungsöfen durch
neue luftgekühlte Gut-Transportrolle
Increasing the energy efficiency and
performance of strip heating furnaces by means
of new air-cooled stock transport rollers
Während des Herstellungsprozesses von Stahl-Feinblechen, wie sie beispielsweise in der Automobilindustrie benötigt werden, sind verschiedene Erwärmungsprozesse erforderlich. Diese werden in Banderwärmungsöfen realisiert,
durch welche die Bleche in Form von (Endlos-) Bändern
über Rollen transportiert werden. Zur Realisierung hoher
Produktionsleistungen liegt die Ofenraumtemperatur in
solchen Öfen häufig bei bis zu 1.300°C. Die thermischen
Anforderungen an die dort installierten Transportrollen
sind daher sehr hoch. Um die eingesetzten Rollen vor
Überhitzung zu schützen, kommen hier heute üblicherweise wassergekühlte, metallische Rollen zum Einsatz.
Neben dem Schutz der Rollen, hat die damit verbundene
sehr intensive Kühlung aber zwangsläufig auch indirekt
eine Kühlung des Ofenraums zur Folge. Diese Kühlung
The production of steel sheet materials, such as those required in the automotive industry, involves a series of different
heating processes. These are performed in strip heating furnaces through which the sheet is conveyed as (endless) strip
on rollers. To achieve high production rates, the chamber
temperature in such furnaces often lies at up to 1,300 °C. The
thermal stressing of the transport rollers is therefore very high.
To protect the rollers from overheating, they are usually of the
metallic, water-cooled type. However, besides protecting the
rollers, the very intensive cooling automatically lowers the
temperature of the furnace atmosphere. This cooling of the
chamber is undesired and leads to substantial energy losses.
The research project in this case therefore aims to
achieve a sustainable reduction of these losses. A new,
31
des Ofenraums ist ungewollt und führt zu erheblichen
energetischen Verlusten.
Um diese Verluste nachhaltig zu reduzieren, soll ein neues, weniger intensives Kühlungssystem entwickelt werden,
welches das Betriebstemperaturniveau des Rollenkörpers
bewusst anhebt. Das neue System wird auf einer inneren
Luft- bzw. Gas-Kühlung basieren und die Energieverluste
über die eingesetzten Transportrollen nachhaltig minimieren. Um den hohen thermischen Anforderungen unter
den o. g. Betriebsbedingungen dennoch standhalten zu
können, werden die bisher verwendeten Werkstoffe gezielt weiterentwickelt. Mit Hilfe von Simulationsrechnungen wird zudem die neue Transportrolle strömungs- und
wärmetechnisch optimiert, um lokale Temperatur- und
Spannungsspitzen im Rollenkörper schon während der
Entwicklung sicher zu vermeiden. Hierbei kommen sowohl CFD- als auch FEM-basierte 3D-Modelle zum Einsatz,
siehe Bild 12 .
less intensive cooling system is to be developed, which
deliberately raises the operating temperature level of the
roller body. The new system will be based on internal air
or gas cooling and will substantially reduce the amount
of energy lost via the transport rollers used. To ensure
that the rollers will nevertheless be able to withstand the
high thermal loading under the changed operating conditions, the materials used to date will be further developed
for this purpose. Numerical simulations will also be performed with a view to optimising the new transport roller
in terms of flow patterns and heat distribution in order to
reliably ensure even at the development stage that local
temperature peaks in the roller body will be avoided. Both
CFD- and FEM-based 3D models will be used here (Fig. 12 ).
The development work is being conducted in close collaboration with industrial partners in a nationally funded
project.
Die Entwicklungsarbeiten finden in enger Zusammenarbeit mit Industriepartnern im Rahmen eines national
geförderten Projektes statt.
Betriebsorientierte numerische Simulation zur
Optimierung von Feuerungsanlagen in der
Eisen- und Stahlindustrie
optimise firing installations in the iron and steel
industry
Die energetische Optimierung von Wärm- und Wärmebehandlungsöfen und die hohen Anforderungen an die
Produktqualität fordern erhebliche Anstrengungen besonders zur Verbesserung der Brenner- und Beheizungstechnik.
Regenerative Brennersysteme, gezielte Verbrennungsab-
For users of heating and heat treatment furnaces in
the steel industry, energy-efficient production and high
quality are important goals. Considerable efforts are being
directed particularly at improving the burner and heating technology. Regenerative burner systems, targeted
12 Modelltechnische Untersuchung einer ersten luftgekühlten Rollenvariante im direktbeheizten Vorwärmofen einer Feuerverzinkungsanlage
Model-based study of a first air-cooled roller variant in the directly fired preheating furnace of a hot dip galvanising line
32
läufe und definierter Wärmeeintrag in das Nutzgut sind
grundlegende Schwerpunkte. Dabei werden in immer stärkerem Maße numerische Berechnungen zur Entwicklung
und Auslegung von Feuerungsanlagen herangezogen. Mit
numerischen Berechnungstools (CFD, FEM) können die in
Öfen ablaufenden komplexen Strömungs-, Reaktions- und
Wärmeübertragungsprozesse dreidimensional abgebildet
werden. Daraus werden gezielt Optimierungsmaßnahmen
abgeleitet und im Vorfeld der betrieblichen Umsetzung
überprüft.
combustion management and defined heat input into the
stock are the main areas of attention. In tackling these
tasks, numerical computations are increasingly being
used to develop and design firing installations. Numerical
calculation tools, (CFD, FEM) enable the complex flow,
reaction and heat transfer processes taking place in the
furnaces to be mapped three-dimensionally. Once this
has been done, targeted optimisation measures can be
derived and tested before being implemented in industrial practice.
Die benötigte Ofenatmosphäre in Industrieöfen wird
durch den Prozessschritt bestimmt. Dabei sind unterschiedliche Beheizungstechniken, siehe Bild 13 , für den
jeweiligen Anwendungsfall zu berücksichtigen. Die numerische Simulation in Kopplung mit experimentellen und
betriebsnahen Untersuchungen wird in der Eisen- und
Stahlindustrie erfolgreich zur Optimierung von Anlagen
und Prozessen im Hinblick auf Brennstoffeinsparung, Emissionsminderung, Qualitätssicherung und Produktivitätssteigerung eingesetzt. Entscheidend für eine erfolgreiche
energetische Optimierung ist die ganzheitliche Betrachtung
der ablaufenden Prozesse in den Öfen. So spielt der Wärmeeintrag eine wesentliche Rolle bei der Einhaltung der
geforderten Qualitätsmerkmale. Hier werden mit Hilfe der
numerischen Simulation die Wärmeübertragung im Ofen
aufgrund der Brenneranordnung zum Nutzgut oder durch
die Brennereinstellungen, sowie die gegenseitige Beeinflussung der Nutzgüter bei Mehrfachbelegung im Modell
abgebildet und somit als Grundlage für die Optimierung
herangezogen. Neben der ganzheitlichen Betrachtung von
Ofenanlagen ist die detaillierte Analyse der Strömungs-,
Reaktions- und Wärmeübertragungsprozesse besonders in
Brennernähe entscheidend für die Produkteigenschaften.
The required atmosphere in the industrial furnace is
determined by the process step involved. The different
heating technologies (Fig. 13 ) for the different application cases therefore have to be taken into account.
Numerical simulation, coupled with experimental studies and investigations with an industrial focus, is being
applied successfully in the iron and steel industry to
optimise plant, equipment and processes in order to
save fuel, reduce emissions, assure quality and increase
productivity. A key factor in optimising energy efficiency
is to consider every aspect of all the processes taking
place in the furnaces. The heat input to the stock plays
a major role in achieving the specified quality features.
Numerical simulation helps to map the heat transfer
in the furnace as a function of the burner arrangement
relative to the stock, burner settings, or the mutual influence of different grades of stock charged simultaneously.
Once mapped in the model, these details can be used as
a basis for optimisation. Besides the holistic appraisal of
the furnace equipment and operations, detailed analyses
of the flow, reaction and heat transfer processes, especially close to the burners, are essential for determining
product properties.
13 Aufnahmen und numerische Simulation von Brennern
Photos and numerical simulations of burners
33
Die weitere Entwicklung der numerischen Simulation
zur Abbildung von Gesamtprozessen bei der Stahlerzeugung ist ein wichtiges Arbeitsgebiet am BFI. Hierbei wird
von der Erstarrung der Schmelze über die Wärmebehandlung bis zur Umformung die gesamte Prozesskette betrachtet. Die bei den einzelnen Prozessschritten auftretenden
Materialspannungen und die direkte Kopplung mit den
Strömungs- und Wärmeübertragungsbedingungen stehen im Mittelpunkt der Arbeit. Somit wird eine gezielte
Optimierung hinsichtlich des Energieeinsatzes und der
Materialqualität ermöglicht.
The further development of numerical simulation with
a view to mapping overall processes in steelmaking is an
important work area within BFI. The scope covers the entire
process chain, ranging from the solidification of the melt
through heat treatment to forming. The focus is on the
material stresses occurring in the individual process steps
and their direct coupling with the flow and heat transfer
conditions. This will enable targeted optimisation of energy
use and material quality.
Verbesserte Temperaturerfassung in Wärmöfen
Advanced temperature measurement in
reheating furnaces
Ziel der Erwärmung eines Nutzgutes im Wärmofen ist
die Erzielung einer bestimmten Ziehtemperatur, teilweise
verbunden mit bestimmten Zeitanforderungen. Die innere
Nutzguttemperatur ist jedoch nicht kontinuierlich messbar
und muss durch Modellansätze berechnet werden. Hierzu
wird auf die Ofenraumtemperatur als Messwert zurückgegriffen. Die Ofenraumtemperatur in Wärmöfen wird
überwiegend durch wenige Thermoelemente erfasst, die
an unterschiedlichen Punkten des Ofens angebracht sind.
Bild 14 zeigt ein solches Thermoelement, welches zwischen zwei Brennern angeordnet ist. Die Bestimmung der
Temperaturverteilung im Ofenraum ist somit nur sehr
eingeschränkt möglich. In einem europäischen Forschungsvorhaben wird untersucht, wie durch fortschrittliche Messmethoden eine bessere Erfassung der Temperaturverteilung
im Ofenraum möglich ist. Das BFI untersucht hierbei den
Einsatz von ultraschallbasierter Gastemperaturmesstechnik. Ziel des Vorhabens ist eine verbesserte Temperatur
The aim of heating in reheating furnaces is the attainment of a certain tracking temperature, sometimes
combined with specific time restrictions. However, the
inner temperature of the stock cannot be measured continuously and has to be calculated by models. To do this,
the measured furnace chamber temperature is used. This
temperature is mostly measured by a few thermocouples,
situated at different positions in the furnace. Fig. 14 presents such a thermocouple, situated between two burners. The determination of the temperature distribution
in the furnace is therefore very limited. The possibility
of using advanced measurement technology to achieve
better determination of the temperature distribution
inside the reheating furnace is being examined in a European research project. BFI is investigating the use of
ultrasonic gas temperature measurements. The aim of
the project is to achieve better temperature measurement
in reheating furnaces, leading to advantages in process
14 Ofenraumthermoelement zwischen zwei Brennern
Furnace chamber thermocouple situated between two burners
34
erfassung in Wärmöfen, die somit zu Vorteilen bei der
Prozessführung führt, eingeschlossen Verbesserungen der
Energieeffizienz und der Durchwärmung des Nutzgutes.
control, including improvements in energy efficiency
and heating of stock.
Neuartiger keramischer
Hochtemperaturrekuperator zur Steigerung der
Energieeffizienz von Prozessfeuerungen
Novel ceramic high-temperature recuperator to
increase energy efficiency of process furnaces
Durch moderne keramische Materialien kann der Energieverbrauch an Prozessfeuerungen gesenkt werden. Im Rahmen
eines Vorhabens soll ein neuartiges, energieeffizientes und
emissionsarmes Beheizungssystem für Prozessfeuerungen entwickelt werden. Neben der Koordination übernimmt das BFI
die Simulation (CFD) der für die Tests notwendigen einzelnen
Systemkomponenten wie den keramischen Rekuperator und
den Brenner an der Technikumsanlage. Für die Werkstoff-,
Technologie- und Bauteilentwicklung des keramischen Wärmeübertragerkörpers sind zwei Industriepartner zuständig.
Ein Spezialist des Anlagebaus konstruiert und fertigt den
Rekuperator. Der zukünftige Einsatzbereich des keramischen
Rekuperators sind Hochtemperaturöfen. Mit ihm soll eine
sehr hohe Brennluftvorwärmung erreicht werden. Durch
die keramische Ausführung des Wärmeübertragers kann das
Abgas direkt aus dem Ofen in den Rekuperator eintreten. Die
Anwendungstemperatur der Keramik liegt bei ca. 1300 °C.
Eine Vorkühlung des Abgases, wie es bei den derzeit eingesetzten metallischen Rekuperatoren notwendig ist, entfällt.
Durch den modularen Auf bau des keramischen Rekuperators
ist eine Anpassung an die verschiedenen Anschlussleitungen
der Brenner möglich. Eine Prinzipdarstellung des Prototyps
des keramischen Rekuperators ist in Bild 15 zu sehen.
The most important goal of a running research project
is to lower the energy consumption in process furnaces
by using ceramic materials. The aim is to develop a new
kind of energy efficient, low-emission firing system for
these furnaces. Within the project, two industrial partners
are responsible for developing the material, technology
and components for the ceramic heat transfer body. A
plant manufacturing specialist will design and build the
recuperator. BFI is in charge of project coordination as
well as for simulation (CFD) and testing of the individual
system components such as the ceramic recuperator and
the burner on the pilot plant. The waste gas is to enter
the recuperator directly from the furnace, thanks to the
ceramic heat transfer body. The operation temperature of
the ceramics is around 1300°C. A precooling of the waste
gas, as required in currently used metallic recuperators,
is no longer necessary. The modular desin of the ceramic
recuperator allows an easy adaptation to the different kinds
of burners’ connections. A principle sketch of the prototype
ceramic recuperator is shown in Fig. 15 .
15 Prinzipdarstellung eines Prototyps mit Fluidströmen
Schematic diagram of a prototype with fluid streams
35
Rohrregenerator-Brenner-System
Tubular regenerator burner system
In Zusammenarbeit mit einem Brennerhersteller, einem
Stahlbauer und mehreren Schmiedewerken wurde vom
BFI ein neues Rohr-Regenerator-Brenner-System (ROREBS)
zur Steigerung der Energieeffizienz an Industrieöfen bei
Hochtemperatur entwickelt und betrieblich erprobt. Das
neue System basiert auf einem temperaturfesten Flachflammenbrenner sowie einem kompakten Regenerator. Durch
Einsatz ausschließlich keramischer Materialien im heißen
Bereich kann auf Kühlung weitgehend verzichtet werden.
Zusammen mit moderner Wärmedämmung wurde ein
thermisch hoch effizientes Beheizungssystem entwickelt.
Sowohl Regenerator als auch Flachflammenbrenner sind
als eigenständige Bauteile patentiert.
In cooperation with a burner manufacturer, a steelwork
company and a number of forge shops, a new tubular regenerator burner system called ROREBS has been developed
and tested by BFI to improve energy efficiency at industrial
high temperature furnaces. The new system is based on
a high-temperature flat flame burner and a compact regenerator. By using exclusively ceramic materials for hot
fittings, cooling can be avoided to the greatest possible
extent. In combination with advanced heat insulation, a
highly energy-efficient heating system has been developed.
The regenerator and the flat flame burner are licensed as
separate devices.
Nach erfolgreicher Entwicklung mittels Simulation und
Technikumsversuchen wurden verschiedene, satzweise
betriebene Wärmöfen der Schmiedeindustrie in Europa
mit ROREBS ausgerüstet. Von einem Ofenbauer wurde dafür eine neue Brennerregelung entwickelt. Im Vergleich
zur herkömmlichen rekuperativen Wärmerückgewinnung
wird eine Brennstoffeinsparung von rd. 30% erreicht. Dieser
Wert wurde sowohl für den Betrieb mit Erdgas als auch
mit Prozessgasen von den Ofenbetreibern bestätigt. Des
Weiteren ist die Beheizungsqualität hoch geblieben, was
das besondere Auslegungsziel für die Entwicklung des
Flachflammenbrenners war.
Bild 16 zeigt derartige Flachflammenbrenner mit regenerativer Brennluftvorwärmung im Einsatz an einem
Herdwagenschmiedeofen. Der Gasverbrauch ist während
der gesamten Ofenreise niedriger.
After successful development using simulation and tests
at pilot plants, various batch furnaces in European forge
shops have been equipped with ROREBS. A matching burner control system has been engineered by a furnace manufacturer. Compared with conventional recuperative heat
recovery, fuel savings of approx. 30% have been achieved.
These high savings have been confirmed by furnace operators using natural gas and process off-gases. Furthermore,
the heating performance remains high, which was an important aim during development of the flat flame burner.
Fig. 16 shows such a flat flame burner with regenerative air preheating in operation at a natural gas fired
bogie hearth furnace. Gas demand is lower throughout
the furnace cycle.
The next steps in development are higher stability under
load concerning chemical attack by alkaline components
16 ROREBS am Schmiedeofen
ROREBS at reheating furnace in forge shop
36
Höhere Standfestigkeit gegen Alkalien im Abgas, weitere Einsatzfälle des ROREBS beispielsweise für die Deckenbeheizung sowie kompaktere Bauformen mit höherer
Leistungsdichte sind die nächsten Entwicklungsschritte.
in flue gas, further application cases, e.g. ROREBS as a roof
installation, and a more compact design of the regenerator
with higher power density.
Optimierung von regenerativen
Wärmeübertragern
Optimisation of regenerative heat transfer
systems
Industrieöfen werden bei der Herstellung von Stahl,
Glas, Keramik, NE-Metall und in der Chemieindustrie eingesetzt. Der Primärenergiebedarf an diesen energieintensiven Hochtemperaturprozessanlagen soll gering und die
Nutzgutbeheizung gleichmäßig sein. Mittels hoher Rückführungsrate von Abgasenthalpie in den Prozess können
Brenngas eingespart und CO2-Emissionen verringert werden. Für Industrieöfen existieren bereits Regenerator-Systeme, die Luftvorwärmtemperaturwerte von über 1.000°C
erreichen. Im Vergleich zur üblichen Bauweise von Öfen
mit Zentralrekuperator können bis zu 30% Brennstoff
und CO2 eingespart werden. Ein Hinderungsgrund für den
umfassenden Einsatz dieser Technik ist die Baugröße der
Regeneratoren, speziell der keramischen Speichermassen,
die im Vergleich zur Größe des Ofens recht groß sind.
Industrial furnaces are used to produce steel, glass, ceramics, nonferrous metals and products in the chemical
industry. The goal is to keep the primary energy demand of
these energy-intensive high-temperature process furnaces
as low as possible while ensuring that the products in the
furnace are being heated uniformly. By routing waste gas
enthalpy back into the process at a high rate it is possible
to save on combustion gas and reduce CO2 emissions. For
industrial furnaces, there are already regenerator systems
capable of reaching air preheating temperatures of more
than 1,000 °C. Compared to the usual furnace designs with
central recuperators, they can save up to 30% fuel and CO2.
One reason preventing the widespread use of this technology
is the dimensions of the regenerators, especially the ceramic
storage bodies, which are rather large compared to the size
of the furnaces themselves.
Zur Steigerung der Marktakzeptanz sollen Verbesserungsmaßnahmen für einen kompakten, effizienten Regenerator entwickelt werden. Hierzu wird beispielhaft das
am BFI in Zusammenarbeit mit einem Industriepartner
entwickelte Rohr-Regenerator-System (ROREBS) im Hinblick
auf Wärmeübertragungseigenschaften und Strömungsführung optimiert. Dadurch werden die Grundlagen geschaffen, dass in Regeneratoren eine bessere Leistungsdichte
erreicht wird und diese bei gleicher Leistung kompakter
ausgeführt werden können.
To increase market acceptance, improvements are to
be developed which will enable a more compact, efficient
regenerator design. As an example, the tubular regenerator system (ROREBS) developed at BFI in cooperation with
an industrial partner will be optimised in terms of heat
transfer characteristics and flow guidance. This will create
the basic preconditions for achieving better power density
in regenerators while being able to build more compact
units for the same power rating.
17 Hochtemperatur-Regenerator mit keramischen Wabenkörpern
Ceramic honeycomb element in a regenerative burner system
37
Durch die kompakte Bauweise sind die Regeneratoren
dann flexibler einsetzbar. Die effiziente Regenerativtechnik
ist auch für kleinere Ofenanlagen, z.B. in der Glas- und
Keramikindustrie, aber auch in der Stahl- und NE-Metallindustrie zugänglich.
The more compact dimensions will allow more versatile
use of the regenerators. The efficient regenerative technology will then be available for smaller furnaces such
as used in the glass and ceramics industry, but also in the
steel and nonferrous metals industry.
Weiterhin besteht durch die verbesserte Leistungsdichte
der Regenerativsysteme in Einzelfällen die Möglichkeit,
an größeren Ofenanlagen insgesamt weniger Systeme
einsetzen zu müssen, was für Ofenbetreiber auch unter
wirtschaftlichen Aspekten reizvoll ist.
Furthermore, improving the power density of the regenerative systems can in certain cases make it possible
to use less systems overall on larger furnace installations,
which presents an attractive economic opportunity for
furnace users.
Der verstärkte Einsatz der Regenerativtechnik führt zu
erheblichen Brennstoff- und CO2-Einsparungen und leistet
damit einen großen Beitrag zur Ressourceneffizienz.
More widespread use of regenerative technology will
lead to considerable savings in fuel and CO2 emissions,
thus making a great contribution to resource efficiency.
Beheizung von Wärm- und
Wärmebehandlungsöfen
New regenerative lean gas burner for firing
reheating and heat treatment furnaces.
Die Entwicklung neuer Beheizungs- und Regelungskonzepte, mit deren Hilfe bei Brennluft- und/oder Brenngasvorwärmung bis zu 1.000°C der sichere Einsatz von
Schwachgas in Industrieöfen möglich ist, ist das Ziel eines
weiteren Forschungsvorhabens des BFI. Dieses Beheizungskonzept bzw. das Beheizungssystem besteht aus dem Brenner mit den benötigten Wärmeübertragern. Im Ergebnis
liegt ein Beheizungssystem bestehend aus Brenner und
Wärmeübertrager für hochvorgewärmte Brennmedien vor.
Auslegungskriterien werden bezgl. der Konstruktion des
Beheizungssystems aufgestellt.
The aim of this research project is to develop a firing
and control concept which will allow the safe use of lean
gas for preheating of combustion air and/or fuel gas up to
1,000 °C. This firing concept or firing system comprises the
burner and the required heat transfer bodies. The result will
be a firing system with burner and heat transfer body for
highly preheated combustion media. Criteria will be identified regarding the structural design of the firing system.
Due to the recuperative or regenerative preheating of
the lean gas, the flame temperature will be increased, thus
18 Regenerativer Schwachgasbrenner für den effizienten Einsatz in Industrieöfen
Regenerative lean gas burner for efficient use in industrial furnaces
38
Durch die rekuperative oder regenerative Vorwärmung
des Schwachgases wird die Flammentemperatur erhöht und
der Einsatzbereich dieses Gases erweitert. Zudem bringt
die Vorwärmung eine weitere energetische Verbesserung
der gesamten Ofenanlage durch Absenkung der Abgasverluste. Hierzu ist in Anlehnung an bekannte Brennersysteme ein neues Konzept der Medienführung zu entwickeln,
dass die Brennluft- und Brenngasvorwärmung ermöglicht.
Durch die Verwertung von vorliegenden kostengünstigen
Schwachgasen resultiert eine Senkung der beim Produktionsprozess anfallenden Energiekosten, da kostenintensives
Starkgas substituiert wird. Des Weiteren erfolgt hierdurch
eine Minderung der CO2-Freisetzung. Zudem erlaubt das
neue System eine bessere Gaswirtschaft in den Betrieben,
da hierdurch ein weiterer Freiheitsgrad für die Schwachgasanwendung entsteht, das derzeit nicht für alle Prozesse
eingesetzt werden kann.
broadening the application range of this gas. Preheating
will also improve the energy efficiency of the entire furnace installation by lowering the exhaust gas losses. A
new media management concept similar to that of known
burner systems is to be developed to enable preheating of
the combustion air and fuel gas. Utilising available low-cost
lean gases instead of costly rich gas will reduce the energy
costs for the production process. This will also reduce the
amount of CO2 released. In addition, the new system will
enable better gas management in the industrial facilities
as there will be greater opportunities to employ lean gas,
which currently cannot be used for all processes.
Wichtiger Baustein zur Optimierung von
Brenner- und Beheizungssystemen: Die BFIBrennerversuchsanlage
Important component for optimising burner
and firing systems: The BFI burner testing
facility
Hohe Produktqualität bei gleichzeitig hoher Energieeffizienz sind die wesentlichen Ziele bei der Erwärmung von
Stahlprodukten, beispielsweise zur Warmumformung oder
For users of heating and heat treatment furnaces, energyefficient production and high product quality are important goals. Major efforts are therefore being undertaken
19 Brennerversuchsanlage des BFI
Burner testing facility at BFI
39
Wärmebehandlung. Die hierzu eingesetzten Beheizungssysteme werden daher kontinuierlich weiterentwickelt und
immer zielgerichteter an die jeweiligen Prozesse angepasst.
Das BFI betreibt hierzu eine eigene, hoch moderne
Brennerversuchsanlage (Bild 19 ) und ermöglicht es damit
sowohl Anlagenbauern als auch -betreibern ihre Brennerund Beheizungssysteme unter realen Betriebsbedingungen
risikofrei zu testen und zu gezielt zu optimieren.
Mit dieser Versuchsanlage können sowohl kleinere als
auch sehr leistungsstarke Industriebrenner zuverlässig
und unter realen Prozessbedingungen getestet werden.
Als Brenngase stehen neben Erdgas auch Koksofen- und
Gichtgas direkt aus einem Hüttengasnetz zur Verfügung.
Technische Gase wie Sauerstoff, Stickstoff und Luft sind
mit hohen Anschlussleistungen über Druckleitungen vorhanden. Weitere Gase können bei Bedarf zudem jederzeit
über Flaschenbündel integriert werden.
Im Versuchsbetrieb können sowohl die Brennluft als
auch das Brenngas definiert vorgewärmt werden, um Wärmerückgewinnungssysteme zuverlässig nachzubilden. Detaillierte lokale Messungen in der Flamme und im gesamten
Brennraum sind über eine Vielzahl von Zugängen an der
Brennkammer möglich. Die Erfassung der Messdaten erfolgt
digital. Alle Daten stehen nach Versuchsende in gängigen
Datenformaten für eine systematische weitere Verwertung
zur Verfügung.
Die technischen Daten der Anlage im Überblick:
• Brennkammer: 2 m x 2 m x 6 m; Tmax = 1.400°C
• Feuerungsleistung Pmax = 2 MW
• Brenngase: Erd-, Koksofen-, Gichtgas (auch in Mischung)
• Technische Gase: Druckluft, Sauerstoff, Stickstoff
• Vorwärmung (regelbar): Brennluft bis 1.000°C, Brenngas bis 500°C
• Messung von Temperatur, Gas-Konzentration und
Druck in Flamme, Brennkammer und Kamin
Die Brennerversuchsanlage ist zusammen mit der ebenfalls am BFI vorhandenen Simulations- und Betriebsmesstechnik ein wichtiger Baustein bei der Entwicklung neuer
Beheizungssysteme.
worldwide to optimise the burner and firing technology. BFI
operates its own, advanced burner testing facility (Fig. 19 )
which enables plant manufacturers and users to test their
burner and firing systems without risk under real operating
conditions and to optimise them in a targeted manner.
This test facility can be used to test both small and very
powerful industrial burners reliably under real process
conditions. Besides natural gas, the available fuel gases
include coking oven gas and top gas directly from a steel
works network. Industrial gases, such as oxygen, nitrogen
and air are available in high flow rates via pressurised
supply lines. Further gases can be integrated at any time
by means of gas cylinder batteries.
During the tests, both the combustion air and the fuel
gas can be preheated to defined levels in order to reliably
simulate heat recovery systems. Detailed local measurements in the flame and throughout the entire combustion
chamber are possible thanks to numerous access points at
the chamber. The measured data is recorded digitally. After
completion of the tests, all data is available in common
data formats for systematic evaluation.
Technical data of the plant at a glance:
• Combustion chamber: 2 m x 2 m x 6 m; Tmax =
1,400°C
• Firing power Pmax = 2 MW
• Combustion gases: natural, coking oven, top gas (and
mixtures thereof)
• Industrial gases: Compressed air, oxygen, nitrogen
• Preheating (controllable): Combustion air up to
1,000°C, fuel gas up to 500 °C
• Measurement of temperature, gas concentration and
pressure in the flame, combustion chamber and flue
Together with the simulation and industrial measuring
technology that is also available at BFI, the burner testing
facility is an important component for the development
of new firing systems.
The latest modernisation of the plant was accomplished
with the kind support of various bodies, including the
BMWi (German Federal Ministry of Economics and Technology) in the course various research projects.
Die letzte Modernisierung der Anlage erfolgte u. a. mit
freundlicher Unterstützung des BMWi im Rahmen verschiedener Forschungsprojekte
Wärmestellenarbeiten
Fuel department activities
Die effiziente Energienutzung, hohe Produktqualität
und Produktivität sind Hauptanforderungen an Thermoprozeßanlagen. Zur Überprüfung und Sicherstellung dieser
Belange bietet das BFI eine Reihe von Dienstleistungen
an, z.B.: Ofenbilanzierungen, Durchwärmungsmessungen,
Efficient use of energy is one of the main demands made
on industrial furnaces. To verify and ensure this, the BFI
offers a wide range of services, for instance energy balances,
instrumented trials, measurement of combustion atmosphere, calibration and inspection of measurement devices.
40
Messungen der Ofenraumatmosphäre, Kalibrierung und
Überprüfung der Betriebsmesseinrichtungen.
Beispielsweise ist die Kenntnis der genauen Temperaturverteilung im Nutzgut zur Optimierung des Wärmeeintrags
notwendig. Bild 20 zeigt beispielhaft einen mit Thermoelemente bestückten Versuchsblock nach der Erwärmung
im Ofen. Solche Messergebnisse sind ein wichtiges Element
der Überprüfung und Verbesserung der Ofenanlage.
As an example, knowledge of the exact temperature
distribution inside a billet is of great importance for the
optimisation of the heating process. Fig. 20 shows, for
instance, such an instrumented billet after heating in a
furnace. Measurements like this are key for the verification
and improvement of the furnace.
Continuous inspections ensure the quality of the process
and help to reduce the costs of operation.
Kontinuierliche Überprüfungen sichern die Qualität des
Prozesses und helfen dem Betreiber bei der Kostensenkung.
20 Durchwärmungsmessung
Instrumented trial
41
Ressourcentechnologie und Kreislaufprozesse
Resource Technology and Recycling Processes
Technologien zur Wasser- bzw. Säurekreislaufschließung in der metallverarbeitenden Industrie
Sustainable production through market
penetration of recovery and recycling
technologies in metal finishing
43
flüssigen Abfällen von Edelstahlbeizlinie
Recovery of valuable metals from solid and
liquid wastes from stainless steel pickling lines
44
Vermeidung von Fehlmessungen
Further development of AOX measuring
technology to avoid measurement errors
46
Magnetabscheidung zur Partikelentfernung aus
flüssigen Medien der Eisen- und Stahlindustrie
particles from liquid media in the iron and steel
industry
47
in Beizbädern
pickling baths
49
Ressourcenschonende neuartige Nickelrückgewinnung aus Prozesswässern der Phosphatierung
Resource-conserving innovative method for recovering nickel from phosphating process water streams
50
Recycling und Wiedereinsatz von Titankarbid durch
Anwendung eines chemischen Auflöseverfahrens
Recovery and reuse of titanium carbide with the
help of a chemical dissolution method
52
dynamischen Prozessbedingungen
Cyanide monitoring and treatment under dynamic
process conditions
53
selektive Salzabtrennung
separation of salts
54
Herstellung von Synthesegas aus Kohlendioxid
und Wasserstoff
Herstellung eines hochwertigen Zinkoxidprodukts
aus ungenutzten zinkhaltigen Produktionsrückständen durch Schmelzbad-Injektion
dioxide and hydrogen
55
from industrial residues by melt bath injection
56
Thermochemische Berechnungen und Flow-Sheet
Modellierung
Thermochemical calculations and flow-sheet
modelling
57
Aufbereitung von Stahlwerksschlacke zur
Weiterverwendung als Düngemittel und Erzersatz
Conditioning of steelmaking slag for use as
a fertilizer and ore substitute
58
Sicherung des Einsatzes von Stahlwerksschlacken
in der Bauindustrie
Assuring the use of steelmaking slags in the
construction industry
59
resource technology for feedstocks
61
und Kreislaufführung flüssiger Medien
Various projects relating to the use, treatment
and closed-loop operation of liquid media
61
Technologien zur Wasser- bzw.
Säurekreislaufschließung in der
metallverarbeitenden Industrie
Sustainable production through market
penetration of recovery and recycling
technologies in metal finishing
In vielen asiatischen Ländern wie z.B. Indien sind Wasserknappheit und die Verschmutzung der Frischwasserquellen
ein großes Problem. Die Industrie trägt dabei in großem
Maße zur Verschmutzung des Wassers bei. Durch eine Steigerung der Effizienz bei der industriellen Wassernutzung,
die Verringerung des Wasserbedarfs und Einführung von
Wasserwiedernutzungs- und Wasserauf bereitungstechnologien in der Industrie könnte die Versorgungssituation mit
sauberem Wasser in diesen Ländern deutlich verbessert
werden. Das BFI ist Projektpartner in einem internationalen Projekt, das den Schwerpunkt in der nachhaltigen
Produktion und Optimierung des Ressourcenverbrauchs
von kleinen und mittelständischen Unternehmen (KMU)
hat. Das Projekt hat das Ziel, Technologien und Methoden
zur Ressourceneffizienz und zur Verbesserung der Umweltbedingungen in der metallverarbeitenden Industrie
einzuführen. Schwerpunkt ist dabei die Einführung und
Demonstration von Wasserauf bereitungsanlagen und Kreislaufprozessen sowie die Optimierung der Energieeffizienz.
Dabei werden verschiedene Regionen Indiens wie Delhi
NCR, Faridabad, Chandigarh und Mohali, Ahmedabad,
Aurangabad, Pune and Chennai abgedeckt.
Water availability and water pollution are presently major
concerns in many Asian countries, including India. With
the industrial sector being one of the main sources of water
pollution, improving its water efficiency by reducing water
usage and encouraging waste water recovery and recycling
assumes enhanced significance.
Das BFI beteiligt sich an den Schulungen zur Ausbildung
indischer Ingenieure für Ressourceneffizienz, Vor-Ort-Schulungen der Unternehmen für die Bereiche Wasser- und
Säureauf bereitung, Planung und Inbetriebnahme von Demonstrationsanlagen. Der Einsatz dieser Anlagen soll die
Akzeptanz für Säureauf bereitungsanlagen in der Industrie
verbessern. Durch die Schulungen sollen die indischen
BFI is part of an international project which emphasizes sustainable consumption and production in small and
medium enterprises (SMEs). The project aims to introduce
technology innovation as well as resource efficiency in
the metal finishing companies (SMEs) that would lead to
improved environmental quality and combat pollution
through advanced water treatment measures and energyefficient processes. The cities where the project is implemented are Delhi NCR, Faridabad, Chandigarh and Mohali,
Ahmedabad, Aurangabad, Pune and Chennai.
The participation of the BFI involves the training of
Indian technical experts of the partners to train the local
companies, training of local companies on acid recovery
systems, planning and installation of demonstration plants
at Indian SMEs to achieve acceptance of acid recovery systems in industry and policy.
The training for Indian technical experts focused on
theory as well as hands-on exercises to explain European
best practices on sustainable production and consumption. The topics covered were resource efficiency, cleaner
production, green procurement, waste management, en-
21 Inbetriebnahme der Demonstrations-Anlagen und Einweisung der indischen Partner und Betreiber
Installation of demonstration plant at Indian company and explanation of its function to the local partners
43
Ressourcentechnologie und Kreislaufprozesse · Resource Technology and Recycling Processes Ingenieure der lokalen Projektpartner befähigt werden,
selbständig Schulungen durchzuführen. Dazu wurden sowohl theoretische Inhalte vermittelt als auch praktische
Übungen durchgeführt. Die Schulungen orientieren sich
inhaltlich an der „Best practice“. Abgedeckt wurden Inhalte
wie Ressourceneffizienz, Cleaner Production, umweltverträgliche Lagerhaltung, Abfallwirtschaft, Umweltmanagement, Energieverbrauchsanalysen, Ressourcenerhalt und
–management, Wassermanagement.
vironmental management, energy analysis, conservation
and management, water management.
During the training of the local companies, they are
trained on resource efficiency and simple measures to
improve water usage (e.g. replacement of broken seals,
application of rinsing cascades), acid recovery technologies along with first-hand experience with the pilot units
developed under the project.
The demonstration units were selected during the workshops and consultancy visits. They are state-of-the-art in
European acid recovery like nanofiltration, retardation
and diffusion dialysis. The three demo plants are employed
across all three regions and after a certain time, the plants
will shift to the next region. This allows all companies
to visit and experience the operation of each technology.
tilo.reichardt@bfi.de
flüssigen Abfällen von Edelstahlbeizlinie
Recovery of valuable metals from solid and
liquid wastes from stainless steel pickling lines
Eigenschaften und Qualität von Edelstählen hängen sowohl von der Materialzusammensetzung, der Verformung
bei der Verarbeitung als auch von der Oberflächenqualität
ab, die in den letzten Verarbeitungsschritten im Wesentlichen durch das Beizen bestimmt wird. In Beizprozessen der
Edelstahlindustrie entstehen bei der Neutralisation von Altsäuren große Mengen an Neutralisationsschlämmen. Diese
enthalten erhebliche Mengen an Wertmetallen, insbesondere Nickel. In Europa werden so jährlich mehr als 2500 t/a
Nickel mit einem Wert von ca. 40 Millionen €/a deponiert.
Auf deutschen Deponien lagern Neutralisationsschlämme
The properties and quality of stainless steel grades depend not only on the material composition and the degree
of deformation during processing but also on the surface
quality, which is to a large extent determined by pickling.
The neutralisation of spent pickling acids from the stainless
steels industry results in large volumes of sludges which
contain considerable amounts of valuable metals, in particular nickel. In Europe alone, more than 2,500 t/a of nickel
with a value of approx. 40 million €/a are disposed of in
landfills. In German landfills the accumulated neutralisation sludges now represent a nickel content of over 20,000
22 Übersicht möglicher Verfahrensschritte zur Nickelrückgewinnung.
Overview of possible process steps for nickel recovery.
44
mit einem Nickelgehalt von über 20.000 t. Deutschland
besitzt keine nennenswerten Metallerzvorkommen, sodass
strategische Metallrohstoffe – unter anderem auch Nickel
– importiert werden müssen.
Das BFI befasst sich seit mehreren Jahren mit der Rückgewinnung von Wertmetallen aus den genannten Neutralisationsschlämmen. Dabei werden grundsätzlich verschiedene
Schlämme und Prozessschritte, wie z.B. Laugung, Fällung,
Extraktion und Elektrolyse verfolgt (Bild 22 ).
In einem Projekt liegt der Schwerpunkt der Untersuchungen auf der Rückgewinnung von Nickel aus flüssigen und
festen Abfällen der Beizprozesse und die Weiternutzung in
der Edelstahlindustrie mit dem Ziel der Minimierung des
Rohstoffverbrauchs bei der Edelstahlerzeugung.
Zwei Prozessrouten werden untersucht, wobei sowohl
klassische Beizsäuren auf Basis von Salpetersäure/Flusssäure und Salpetersäure freie Beizen betrachtet werden.
1. Altsäureroute (Wertmetalle werden direkt aus der
Altsäure zurückgewonnen)
2. Neutralisationsschlammroute (Wertmetalle werden
aus Neutralisationsschlämmen zurückgewonnen)
Bei der Neutralisationsschlammroute konnten im Labormaßstab bei einer nickelselektiven Laugung Ausbeuten
von ca. 50 % und bei der nickelreichen Laugung von ca.
95 % Nickel realisiert werden (Bild 23 ).
Nach der pH-Einstellung und Filtration wurde eine nickelreiche Lauge an den nächsten Verfahrensschritt – die
Extraktion – weitergegeben. Hierbei wird die Lauge von
tonnes. Germany has no appreciable metal ore deposits,
so that certain strategic metal raw materials – including
nickel – have to be imported.
BFI has been working for many years on the recovery
of valuable metals from the said neutralisation sludges.
A variety of sludges and process steps, such as leaching,
precipitation, extraction and electrolysis, are being studies
(Fig. 22 ).
The aim of the studies in one project is to recover nickel from liquid and solid wastes from pickling processes
for reuse in the stainless steels industry with a view to
minimising resource consumption during stainless steel
production.
Two process routes are being investigated while considering both classic pickling acids based on nitric acid /
hydrofluoric acid and pickling without nitric acid.
1. Spent acid route (valuable metals are recovered directly
from the spent acid)
2. Neutralisation sludge route (valuable metals are recovered from the neutralisation sludges)
In the neutralisation sludge route, lab-scale tests with
selective nickel leaching have produced yields of approx.
50%, increasing to approx. 95% for nickel-rich leaching
(Fig. 23 ).
After pH adjustment and filtration, a nickel-rich solution
was passed on to the next process step, extraction. Here,
unwanted residual iron and chromium is removed and the
nickel content in the solution is concentrated. The result-
23 Im Labor erzeugte Laugen und Filterkuchen bei verschiedenen pH-Werten. Die intensive Färbung der Laugen spricht für hohe Metallgehalte in der Flüssigkeit, die intensive Färbung des Filterkuchens geht mit einem hohen Restgehalt an Metallen einher.
In laboratory trials produced leachates and filter cake at various pH values. The intensive colouration of the leachate suggests high metal
content in the liquid, the intense coloration of the filter cake is associated with a high residual content of metals.
45
Ressourcentechnologie und Kreislaufprozesse · Resource Technology and Recycling Processes unerwünschten Restbestandteilen an Eisen und Chrom
gereinigt und an Nickel auf konzentriert. Der so auf bereitete Elektrolyt kann Nickelkonzentrationen von bis zu
60 g/L beinhalten und ist somit für eine Elektrolyse zur
Abscheidung von metallischem Nickel geeignet. Bei der
Elektrolyse wurden je nach Nickelkonzentration, Temperatur und pH-Wert Stromausbeuten von etwa 80 % erreicht.
Derzeit werden in Betriebsversuchen weitere Verfahrenskombinationen untersucht, um die Gesamtausbeute an
Nickel zu erhöhen.
In einem national geförderten Projekt wird die Rückgewinnung von Nickel aus bereits deponierten Neutralisationsschlämmen der Edelstahlbeizlinien fokussiert.
Die Deponiesituation der Neutralisationsschlämme der
Edelstahlindustrie wird dabei genauer herausgestellt. Es
werden zwei Verwertungswege untersucht.
ing electrolyte can contain nickel concentrations of up to
60 g/L and is therefore suitable for electrolysis to separate
out metallic nickel. Depending on the nickel concentration, temperature and pH, the yield from the electrolysis
process is about 80%. Operational trials are currently being
conducted with further process combinations to increase
the total yield of nickel.
One nationally funded project focuses on the recovery
of nickel from neutralisation sludges from stainless steel
pickling lines which have already been landfilled. The landfilling situation regarding neutralisation sludges from the
stainless steels industry is being investigated in more depth.
Two recovery routes are being studied.
Vermeidung von Fehlmessungen
Further development of AOX measuring
technology to avoid measurement errors
In den wesentlichen Industrien des produzierenden
Gewerbes fallen Abwasserströme an, die adsorbierbare
organisch gebundene Halogene (AOX) enthalten, die vor
der Ableitung kostenintensiv behandelt bzw. extern entsorgt werden. Die Bildung von AOX erfolgt z. B. durch
den Einsatz von Komplexbildnern, die Wechselwirkung
zwischen oxidativen Bioziden oder produktionsbedingten
organischen Verbindungen im Kühlwasser. Unterschiedliche Wasserinhaltsstoffe wie zum Beispiel Chloride, organi-
Major production industries generate waste water
streams that contain adsorbable organically bound halogens or halides (AOX) and have to be treated at great
expense before being discharged or disposed of externally.
AOX can be formed, for example, through the use of complexing agents, interactions between oxidative biocides, or
through production-related compounds in cooling water.
Different constituents in water, such as chlorides, organic compounds, suspended solids, etc., will influence the
24 BFI AOX-Messgerät
BFI’s AOX measuring instrument
46
sche Verbindungen, Schweb- und Feststoffe beeinflussen
die gemessenen AOX-Konzentrationen. Daraus resultieren
Messwertschwankungen bis zu 1.000 %. Entsprechend können scheinbare Grenzwertüberschreitungen vorliegen, die
behördliche Maßnahmen wie z.B. die Erhöhung der Abwassergebühr, die Umstellung von Betriebsmitteln oder den
Bau von Abwasserbehandlungsanlagen zur Folge haben.
Im Rahmen des abgeschlossenen Projektes konnten
Störstoffe sowie eine daraus resultierende notwendige
Anpassung der Probenvorbereitung und Analysendurchführung ermittelt werden. Wesentliche Störstoffe sind
Chloride und Organik. Chlorid-Gehalte größer 1.000 mg/l
führten bei Messung des AOX-Gehaltes zu Mehrbefunden
über 10%. Als geeignete Methode zur Kompensation des
Chlorid-Störeinflusses konnte die Erhöhung des Waschlösungsvolumens und der Verdünnungen ermittelt werden.
Zur Vermeidung von Fehlmessungen ist der Chlorid-Gehalt der Probe vor Festlegung der Verdünnung zu messen
um Minderbefunde zu vermeiden. Im Weiteren führten
hohe Organik-Gehalten (DOC > 1.000 mg/L) in betrieblichen Proben der Metallindustrie zu Minderbefunden, die
bei externen zertifizierten Laboren > 50% betrugen. Basierend auf den Ergebnissen wurde eine Empfehlung zum
Vorgehen bei Proben mit hohen Organik-Gehalten (DOC >
1.000 mg/L) und geringen AOX-Gehalten erarbeitet. In Vergleichsmessungen des BFI mit Laboren der Projektpartner
u.a. LANUV konnte nachgewiesen werden, dass bei präziser Durchführung der DIN 9562 eine übereinstimmende
Messung des AOX-Gehaltes möglich ist. Die Untersuchung
von Einsatzstoffen aus der Metallindustrie wie beispielsweise Emulsionsspalter, Flockungs-, Flockungshilfs- und
Koaguliermittel zur Verbesserung der Abscheidung von
Feststoffen aus Prozess- und Abwässern auf Basis von beispielsweise Aluminiumchlorid oder Erdöldestillaten ergab
bei einer bedarfsgerechten Dosierung der Einsatzstoffe, z.
B. in Abhängigkeit des Feststoff-Gehaltes, einen geringen
bzw. nicht nachweisbaren AOX-Eintrag in das zu behandelnde Wasser. Die Ergebnisse des Projektes ermöglichen
eine zuverlässige Messung des AOX-Gehaltes.
actual AOX concentration measured. This can result in
fluctuations of up to 1000% in measured values. It may
also result in apparent exceedance of limits with consequences at the regulatory level, such as increased waste
water charges, changes in equipment and the construction
of waste water treatment plants.
In the course of the now completed project, interfering
substances were identified which made it possible to define
the necessary adjustments in sample preparation and analytics. The main interfering substances are chlorides and
organic compounds. Chloride concentrations of greater than
1,000 mg/L can push up the measured AOX content by 10%.
One suitable method for compensating the effect of chloride
interference is to increase the volume of the washing solution and the dilution ratios. To avoid measurement errors
at the lower end, the chloride content of the sample should
be measured before defining the dilution ratio. Further to
this, high levels of organic compounds (DOC > 1,000 mg/L)
in samples taken from metal industry operations artificially
lowered the measurements by more than 50%, as recorded
by externally certified laboratories. Based on these results,
a recommendation was prepared regarding the procedures
to be followed for samples with high organics content (DOC
> 1,000 mg/L) and low AOX content. In comparative measurements carried out by BFI with the laboratories of project
partners, e.g. LANUV, it was demonstrated that by precisely
following the analytical procedures laid down in DIN 9562,
the same results for AOX content could be achieved irrespective of location. The investigation of the substances used in
the metal industry (such as emulsion splitters, flocculation
agents and auxiliaries, coagulants based on, e.g., aluminium
chloride or petroleum distillates, to improve separation of
solids from process water and waste water streams) showed
that demand-controlled dosage of the substances ñ for example, as a function of the actual solids content ñ resulted
in a low or non-detectable entrainment of AOX in the water
to be treated. The project outcomes enable reliable measurement of AOX content.
Magnetabscheidung zur Partikelentfernung aus
flüssigen Medien der Eisen- und Stahlindustrie
particles from liquid media in the iron and steel
industry
In der eisen-, stahl- und metallverarbeitenden Industrie
erfolgt ein produktionsbedingter Eintrag von Zunder und
metallischen Partikeln in Gaswaschwasser-, Kühlwassersowie Emulsionskreisläufe. Zur Vermeidung von Ablagerungen und erhöhtem Verschleiß von Pumpen und Düsen
müssen der Zunder und die metallischen Partikel entfernt
werden. Im Allgemeinen wird in Gaswasch- und Kühlwässern Material mit einem Partikeldurchmesser größer 100
µm in Absetzbecken bzw. Partikel kleiner 100 µm (Feinzunder) z. B. in Sandfiltern oder Anschwemm-Filtrationseinheiten aus dem Kühlwasser entfernt. Anfallender Schlamm,
bestehend aus Metallen (Wertstoff) und anderen Partikeln,
In the iron and steelmaking and metal processing industries, scale and metallic particles automatically find
their way into gas scrubbing, cooling water and emulsion
circuits because of the nature of the production processes
themselves. To avoid deposits and excessive wear on pumps
and nozzles, the scale and metallic particles have to be
removed. Generally, material with a particle diameter of
greater than 100 µm is removed from the gas scrubbing
and cooling waters in sedimentation tanks, while particles
smaller than 100 µm are trapped in sand filters or silting
filtration systems. The arising sludge, consisting of metals
(valuable substances) and other particles, has to be disposed
47
Ressourcentechnologie und Kreislaufprozesse · Resource Technology and Recycling Processes muss aufgrund des Einsatzes von Filterhilfsmitteln kostenintensiv entsorgt werden. In Emulsionskreisläufen erfolgt
der Austrag u.a. mittels konventioneller Magnetabscheider,
welcher mit einem Verlust an wertvollem Walzöl aufgrund
der geringen Auf konzentrierung der Partikel im Schlamm
einhergeht. So enthält beispielsweise ein Schlamm aus einem
konventionellen Magnetabscheider nur 10 % Partikel bei 20
% Wasser und 70 % Öl.
Im Rahmen aktueller Forschungsvorhaben erfolgt die
Anpassung der Magnetabscheidung von Partikeln aus Gaswaschwässern und Kühlwässern sowie Emulsionen, die sich
durch geringe Partikelgrößen (< 25 µm) auszeichnen. Die
Anforderungen an die Magnetabscheidung ergeben maximal
zulässige Feststoff-Konzentrationen zwischen 10 mg/l bis 150
mg/l, woraus sich geforderte Abscheidegrade i.d.R. > 90%
ergeben. In einem exemplarisch untersuchten betrieblichen
Kühlwasserkreislauf eines Abschreckprozesses konnten mit
der mobilen Versuchsanlage, Bild 25 , Abscheidegrade bis
zu 98% auch bei stark schwankenden Feststoff-Gehalten
im Kühlwasser erreicht werden. Parallel hierzu erfolgte die
Optimierung der Magnetpositionierung und der Verfahrensführung anhand von Simulationsberechnungen sowie Labor- und Technikumsversuchen. Im Ergebnis wurde eine
mobile Pilotanlage für einen Durchsatz von 50 m³/h mit 35
Magneten, einem optimierten Düsensystem zur Magnetreinigung bzw. zum Zunderaustrag gebaut, die in Bypass-Versuchen eingesetzt wird.
of at high cost because of the required filtration additives.
In emulsion circuits, removal is performed using conventional magnetic particle separators, for example, which
is results in loss of valuable rolling oil because of the low
concentration of particles in the sludge. The sludge from
such a conventional magnetic particle separator contains
only 10% particles versus 20% water and 70% oil.
An ongoing research project deals with the adaptation of
magnetic separation for the removal of particularly small
particles (< 25 µm) from gas washing and cooling circuit
water streams and from emulsions. The requirements for
magnetic particle separation were a maximum allowable
solids concentration of 10 mg/L to 150 mg/L, which generally resulted in a required separation rate of > 90%. By
way of an example, the industrial cooling water circuit of
a quenching process was studied with the help of a mobile test unit, Fig. 25 . Here, separation rates of up to 98%
were achieved even with widely varying concentrations
of solids in the cooling water. Parallel to this, both the
location of magnets and the process management were
optimised through simulation calculations and tests in
the laboratory and on a pilot plant. As a result of these
investigations a mobile pilot system was built. Capable of
handling a flow of 50 m≥/h, it comprises 35 magnets and
a nozzle system for cleaning the magnets or discharging
scale and is installed in bypass lines for trials.
Ziel weiterer Arbeiten ist die Entwicklung einer geeigneten
Verfahrensführung, und Magnetkonfiguration zur Erzielung
hoher Abscheidegrade > 85 % aus Emulsionen (Kaltwalzen,
Schleifen), einer hohen Auf konzentrierung sowie einer effizienten Spültechnik der abgeschiedenen Partikel zur Minimierung der Ölverluste. Im Rahmen der Arbeiten wurden
betriebliche Emulsionen aus der Bearbeitung silizium- und
Other work packages aim at developing suitable process management and magnet configurations in order to
achieve higher separation rates, > 85%, from emulsions
(cold rolling, grinding), higher concentration rates and a
more efficient technology for rinsing the separated particles to minimise oil losses. During these investigations,
industrial emulsions used in lines processing silicon- and
titanium-containing steels and stainless steels were studied.
25 26 Belegte Magnete der Technikumsanlage bei der Kühlwasserbehandlung.
Belegte Magnete des manuellen BFI-Magnetabscheiders bei der
Emulsionsbehandlung
Magnets from the pilot plant, coated with particles from cooling
water treatment
Magnets from the manual BFI magnetic particle separator, coated
with particles from emulsion treatment
48
titan-haltigen Stählen sowie von Edelstahl untersucht.
In Laborversuchen konnte durch Einsatz der Starkfeldmagnetabscheidung eine Verringerung des Ölaustrages
um 23% und eine Erhöhung des Feststoff-Gehaltes um
Faktor 4 im Vergleich zu einem betrieblichen Ketten-Magnetabscheider erzielt werden, Bild 26 . Schwerpunkt
der weiteren Arbeiten sind die Optimierung der Spültechnik zur Reinigung der Magnete unter den Aspekten
Düsenanordung/-anzahl zur Erzielung einer maximalen
Reinigungseffizienz bei minimalem Wassereinsatz und
Chemikalienfreiheit.
In lab tests, the use of strong magnetic field separation
achieved a 23% reduction in oil drag-out and a factor 4
increase in solids content compared to an industrial chaintype magnetic separator, Fig. 26 . The work ahead will focus
on optimising the spray technology to clean the magnets by
determining the best number and arrangement of nozzles
to achieve maximum cleaning efficiency with the minimum
water input and no use of chemicals.
in Beizbädern
pickling baths
Beim Beizen von Stahloberflächen werden hoch aggressive Säurebäder verwendet. Dort werden die in nachfolgenden Prozessschritten Kaltumformen oder Veredeln
störenden Zunderschichten chemisch gelöst. Mit Ab- und
Auflösung der Metalle in der Säure verringert sich der
Säuregehalt im Prozessbad. Die Überwachung der Prozessbadparameter Säure- und Metallkonzentration erfolgte bisher meist auf Basis weniger manueller Probenahmen und
Laboranalysen (beispielsweise einmal pro Schicht). Das vom
BFI entwickelte online-Messverfahren BFI-DynAcid® liefert
zur Prozessüberwachung von Beizbädern kontinuierlich
die Betriebsdaten der Säure- und Metallsalzkonzentration.
Diese können direkt in das betriebliche Prozesssteuerungskonzept eingebunden, für den Betreiber visualisiert und
beispielsweise zur Steuerung der Säuredosierung verwendet
werden. Die Messtechnik BFI-DynAcid®, welche durch die
BFI Betriebstechnik GmbH vermarktet wird, dient somit zur
Prozessüberwachung und zur Qualitätskontrolle und führt
Pickling processes for steel surfaces use highly aggressive
acid baths. Here, layers of scale which would disrupt subsequent process steps such as cold forming or finishing are
removed by chemical action. As metal ions are detached
and dissolved in the acid, the acidity of the process bath
gradually reduces. Until now, monitoring of the process
bath parameters of acid and metal concentration has usually
been done through manual sample-taking and laboratory
analysis at infrequent intervals (once per shift, for instance).
The on-line measuring technique BFI-DynAcid®, which BFI
developed for monitoring pickling bath processes, delivers
continuous operating data on the acid and salt concentrations. These data can be integrated directly into the process
control concept of the plant, visualised for the plant operator, and used to control the dosage of acid, for example.
The BFI-DynAcid® measuring technology, which is marketed
by BFI Betriebstechnik GmbH, thus serves for both process
monitoring and quality control, and frequently helps to
27 28 Multisensor-Laborversuchsanlage für Untersuchungen in
Säuregemischen.
BFI-DynAcid®-Messtechnik Testinstallation zur
Prozessüberwachung in HNO3-HF-Mischsäurebeizbädern.
Multi-sensor-laboratory plant for investigations on mixed acids.
BFI-DynAcid® test measuring system installation for process
monitoring of HNO3-HF-pickling baths.
49
Ressourcentechnologie und Kreislaufprozesse · Resource Technology and Recycling Processes oftmals zu deutlichen betrieblichen Kosteneinsparungen.
Die DynAcid®-Messtechnik wurde erfolgreich national an
Schwefelsäure- und Salzsäure-Beizlinien und international,
z.B. in der Türkei und in Südkorea, installiert.
achieve significant savings in operating costs. DynAcid®
systems have been successfully installed inside Germany on
sulphuric and hydrochloric acid pickling lines and outside
Germany as well, e.g. in Turkey and South Korea.
Im Rahmen von Forschungsprojekten wurden, ergänzend zu den bereits bearbeiteten Beizsäuren Schwefel- und
Salzsäure, Untersuchungen zur Anwendung des integralen
Messverfahrens für Beizsäuregemische mit drei Hauptkonzentrationsgrößen durchgeführt, z.B. Salpetersäure-Flusssäure-Metallsalze und Salzsäure-Eisen(II)-Eisen(III), Bild 27 .
In the course of current research projects, to supplement
the prior studies on sulphuric and hydrochloric acid, work
has been carried out on applying the integrative measuring method to mixed acid pickling baths with three main
concentration variables, e.g. nitric-hydrofluoric metal salts
and hydrochloric-iron(II)-iron(III), Fig. 27 .
Ein aktuelles Forschungsvorhaben beinhaltet die Entwicklung einer neuen industrietauglichen Online-Messtechnik zur automatisierten Konzentrationsüberwachung
von Salzsäure-Eisen(II)-Eisen(III)-Beizbädern.
One ongoing research project is focusing on the development of a new industry-capable online measuring
technique for automated concentration monitoring of
hydrochloric acid-iron(II)-iron(III) pickling baths.
In einem europäischen Projekt konnte erstmalig eine
betriebliche Umsetzbarkeit des online-Messverfahrens für
Salpetersäure-Flusssäure-Beizlösungen zur Edelstahlherstellung und die Optimierung von Konzentrationsregelungsmodellen auf Basis von Online-Konzentrationsdaten
demonstriert werden, Bild 28 . Nach der Kalibrierung auf
die betrieblichen Einsatzbedingungen lagen die Abweichungen gegenüber der Laborreferenzanalytik bei < 4 g/L
für die Konzentrationsgrößen Flusssäure und Gesamtmetalle und < 10 g/L für Salpetersäure. Zur Optimierung der
betrieblichen Einsatzfähigkeit der Online-Messtechnik sind
weitere Forschungs- und Entwicklungsarbeiten geplant.
In a European project, the feasibility of industrial implementation of the online measuring method for nitric-hydrofluoric acid solutions for stainless steel production and
optimisation of concentration control models based on
online concentration data was demonstrated for the first
time, Fig. 28 . After calibration to the pickling line operating
conditions, the deviations from the laboratory reference
analytics were < 4 g/L for the concentration variables hydrofluoric acid and total metals, and < 10 g/L for nitric
acid. Further research and development work is planned
in order to optimise the industrial operating capability of
the online measuring technology.
Ressourcenschonende neuartige
Nickelrückgewinnung aus Prozesswässern der
Phosphatierung
Resource-conserving innovative method for
recovering nickel from phosphating process
water streams
In einem national geförderten Forschungsvorhaben hat das
BFI ein neues Verfahren zur Nickelrückgewinnung entwickelt.
Hauptinnovation dieses patentierten Verfahrens ist der Einsatz
innovativer Membrankontaktoren zur Rückgewinnung von
Wertmetallen aus sauren Prozesswässern der Phosphatierung.
Die betriebliche Erprobung erfolgt an einer Phosphatierungslinie der Automobilindustrie, in der bei der Trikationenphosphatierung neben Nickel auch Mangan und Zink eingesetzt werden.
In a nationally funded research project, BFI has developed a new method for recovering nickel. The main innovation of this patented method is the use of innovative
membrane contactors to recover valuable metals from the
acidic process water streams in phosphating. The method
underwent industrial trials on a trication phosphating line
in the automotive industry which uses not only nickel but
manganese and zinc as well.
Grundlage der Entwicklung bilden systematische Laborversuche zur Extraktion und Reextraktion von Nickel
aus dem Prozessbad bzw. die Prozesswasserbehandlung
zur Einhaltung von Abwassergrenzwerten. Hierfür werden
poröse und beschichtete Membrankontaktoren eingesetzt.
Diese zeichnen sich durch eine hohe volumenspezifische
Austauschfläche aus, ohne dass Prozesswasser und Extraktionsmittel miteinander vermischt werden.
This new development was based on systematic laboratory investigations on the extraction and re-extraction of
nickel from the process bath and process water treatment
to remain within waste water pollution limits. Porous and
coated membrane contactors were used for this purpose.
These are characterised by the fact that they have a high
volume-specific exchange surface without any mixing of
process water and extraction reagent.
In Zusammenarbeit mit einem Membranhersteller und
Spezialisten der Verfahrenstechnik werden anhand der spezifischen Kriterien Beständigkeit, Wasserlöslichkeit oder Preis
zunächst geeignete Extraktionsmittel ausgewählt und zur
Metallrückgewinnung im Labormaßstab getestet. Neben
Working together with a membrane manufacturer and a
chemical engineering institute, suitable extraction reagents
are first chosen on the basis of specific criteria (resistance,
water solubility or price) and tested for metal recovery
performance on a laboratory scale. In addition to using
50
kommerziell verfügbaren porösen Membrankontaktoren
werden im Forschungsprojekt neuartige Kontaktoren entwickelt, die durch ihre innovative Beschichtung selektiv nur
die gewünschten Wertmetalle abtrennen, ohne dass nach
dem Phasenkontakt Extraktionsmittel im Prozesswasser
nachgewiesen werden konnte.
commercially available porous membrane contactors, new
contactors are being developed during the research project.
These are provided with innovative coatings so that they
selectively separate out only the desired target metals without any extraction reagent being detectable in the process
water after contact between the phases.
Eine Lösungsoption für die Nickelrückgewinnung stellt
ein pH-Wert geführter mehrstufiger Extraktionsprozess mit
porösen Membrankontaktoren dar, mit dem die Konzentrationen von Nickel, Mangan und Zink im Prozesswasser auf
weniger als 1 mg/L gesenkt werden können und entsprechend
hohe Extraktionsraten von mehr als 99 % für die Metalle
erzielt werden.
One solution option for recovery of nickel is a pH-controlled multi-stage extraction process with porous membrane contactors with which the concentrations of nickel,
manganese and zinc in the process water can be lowered to
less than 1 mg/L, allowing correspondingly high extraction
rates of more than 99% for the metals.
Mit einer mobilen, automatisierten BFI-Technikumsanlage
(Bild 29 ) erfolgt die betriebliche Erprobung des Verfahrens
im Bypass der Phosphatierungslinie eines Automobilproduzenten. Durch die Entwicklung des Verfahrens können
generell Wertmetalle aus Prozesswässern in der stahl- und
metallverarbeitenden Industrie zurückgewonnen werden,
die andernfalls in der Abwasserbehandlung verloren gehen
würden. Die Abteilung Ressourcentechnologie Flüssige Medien entwickelt hierbei für betriebliche Anwendungen ressourcenschonende Rückgewinnungsverfahren.
The method is undergoing industrial trials with the help
of a mobile, automated BFI pilot system (Fig. 29 ) connected to the bypass of a phosphating line at an automotive
producer. The development of this method will generally
enable valuable metals to be recovered from process water
streams in the steel and metalworking industries which
would otherwise be lost during waste water treatment.
With this in mind, the Resource Technology Liquid Media
department develops resource-conserving recovery methods for industrial applications.
29 Mobile BFI-Technikumsanlage zur betrieblichen Erprobung von Membrankontaktoren für die Nickelrückgewinnung
Mobile BFI pilot plant for operational membrane contactor trials to recover nickel
51
Ressourcentechnologie und Kreislaufprozesse · Resource Technology and Recycling Processes Recycling und Wiedereinsatz von Titankarbid
durch Anwendung eines chemischen
Auflöseverfahrens
Recovery and reuse of titanium carbide with the
help of a chemical dissolution method
Im Rahmen eines nationalen Projekts hat das BFI eine
betriebstaugliche Effizienztechnologie zur Rückgewinnung
von Hartstoffen z.B. Titankarbid (TiC) aus Reststoffen der
Produktion oder zur Verfügung stehenden Schrotten entwickelt und erprobt. Das Verfahren wurde exemplarisch
in Labor- und Demonstrationsversuchen am Beispiel des
Ferro-Titanit® (ein hartstoffhaltiger Metall-Matrix-Verbundwerkstoff mit einer Stahlmatrix in die bis zu 45 Vol.-%
Titankarbid eingelagert werden kann) untersucht.
In the course of a nationally-funded collaborative research project, BFI has developed and tested an industrial
efficiency technology for recovery of carbides (e.g. titanium
carbide, TiC) from production residuals or scrap materials.
The process has been studied in the laboratory and in
demonstration tests using the example of Ferro-Titanit® (a
carbide-containing composite material with a steel matrix
into which up to 45% by volume of titanium carbide can
be embedded).
Kernprozess der Recyclingtechnologie ist das patentierte
chemische Auflösen der Bindemetalle aus der Hartmetallmatrix mittels Salzsäure unter Verwendung eines Oxidationsmittels (z.B. Wasserstoffperoxid). Das Verfahren nutzt
den aggressiven Charakter der Chlorid-Ionen auf die Beständigkeit der Hartmetalle, um einen selektiven Angriff der
Bindemetalle (Co, Fe, Ni, Cr, Mo) zu erzielen. Die Korrosion
bewirkt eine Oberflächenverarmung der Bindephase, somit
verbleibt an der Oberfläche nur ein Karbidskelet. Infolge des
inerten Charakters der TiC-Phase bzw. WC-Phase bleiben
die Metallkarbide intakt, sodass nur die Bindephase chemisch umgesetzt wird. Die Auflösungsgeschwindigkeit des
Verfahrens wird von den Betriebsparametern Temperatur,
Metallkonzentration, Säurekonzentration, Säurequalität,
Verhältnis der Modifikationen von zwei- und dreiwertigem
Eisen sowie der Werkstoffzusammensetzung beeinflusst.
Nach dem Auflösen der Bindemetalle wird das partikuläre
Metallkarbid von der Flüssigphase separiert und getrocknet.
The core process in this recycling technology is the
chemical dissolution of the matrix metals from the carbide material using hydrochloric acid and an oxidising
agent (hydrogen peroxide). The process makes use of the
aggressive action of chloride ions and the resistance of the
carbides in order to selectively attack the matrix metals
(Co, Fe, Ni, Cr, Mo). The corrosion eats out the matrix phase
at the surface, leaving only a carbide skeleton. The metal
carbides remain intact because of the inert character of
the TiC phase or WC phase, and only the matrix phase
is chemically dissolved. The dissolution rate achieved by
the method depends on the operating parameters such
as temperature, metal concentration, acid concentration,
acid quality, ratio of iron II to iron III modifications, and
the composition of the material. After dissolution of the
matrix metals, the particulate metal carbide is separated
out of the liquid phase and dried.
Die betrieblichen Demonstrationsversuche bestätigen
die Laborergebnisse zur Rückgewinnung des Titankarbids
und somit eine erfolgreiche maßstäbliche Übertragung des
Rückgewinnungsverfahrens. Titankarbid lässt sich voll-
The industrial demonstration trials confirmed the laboratory results regarding the recovery rate for titanium
carbide and thus the successful scale-up of this recovery
method. Titanium carbide can be recovered 100 per cent.
Microscopic analyses of the recovered titanium carbide
30 31 Späne Ferro-Titanit® (C-Spezial)
Rückgewonnenes Titankarbid
Chips of Ferro- Titanit®(C-Spezial)
Recycled titanium carbide
52
ständig zurückgewinnen. Mikroskopische Untersuchungen
des rückgewonnen Titankarbids zeigen, dass der Hartstoff
für den Wiedereinsatz geeignet ist (Rückführung des recycelten Titankarbids in die Produktion von Ferro-Titanit®).
Bilder 30 und 31 zeigen die eingesetzten Späne und das
rückgewonnene Titankarbid.
Eine Übertragung des Verfahrensprinzips auf weitere strategisch wichtige Metalle bspw. die Auflösung von
kobalthaltigem Bindemetall zur Rückgewinnung von
Wolframkarbid ist sinnvoll und geplant. Hierzu besteht
Forschungsbedarf, insbesondere zur Nutzung der Ultraschalltechnik, um die Auflösungsgeschwindigkeit dieser
chemisch stabilen Hartmetallmatrix zu beschleunigen.
show that it is suitable for reuse (recycling of the recovered titanium carbide into the Ferro-TitanitÆ production
process). Figures 30 and 31 show the shavings used and
the recovered titanium carbide.
It would be useful to transfer the underlying principle
of this method to recover further strategically important
metals, by dissolving cobalt-containing matrix metals to
recover tungsten carbide, for example. Further research
is required here, in particular on the use of ultrasound
to accelerate the dissolution rate of this chemically stable
carbide matrix.
dynamischen Prozessbedingungen
Cyanide monitoring and treatment under
dynamic process conditions
Während der Eisenproduktion im Hochofen kann prozeßbedingt Cyanid während wechselnder Betriebszustände
gebildet werden. Ein geringer Teil des Cyanids wird mit
dem Gichtgas ausgetragen und in Nasswäschern in das
Gaswaschwasser überführt. Marktbedingte wechselnde Ein-
During iron production in the blast furnace, cyanide
can be formed as result of the changing operating statuses
of this process. A small part of this cyanide is carried out
along with the top gas and ends up in the water circuit of
wet gas scrubbers. Market-driven variations in feedstocks
32 BFI-Ozonanlage zur Gaswaschwasserbehandlung
BFI ozone plant for gas scrubbing water treatment
53
Ressourcentechnologie und Kreislaufprozesse · Resource Technology and Recycling Processes satzstoffe führen zu variierenden Gaswaschwasserzusammensetzungen die die Genauigkeit der Online-Cyanid-Messung und die Gaswaschwasserbehandlung beeinflussen. Des
Weiteren erfordern steigende Umweltanforderungen die
Weiterentwicklung bestehender Behandlungsverfahren.
result in variations in the composition of gas washing water, which in turn influence the accuracy of online cyanide
measurement and gas scrubbing water treatment. Furthermore, stricter environmental legislation requires further
development of existing treatment methods.
Ziele des laufenden Projektes sind neben der Ermittlung
von Störstoffen auf die Online-Cyanid-Messung und die
Gaswaschwasserbehandlung, die Bestimmung der Cyanid-Ausbreitung im Gaswaschwasserkreislauf. Im Rahmen
des Projektes untersucht das BFI aktuell die Behandlung
von Gaswaschwässern mittels Ozon, Bild 32 . Mit diesem
Verfahren konnten für ausgewählte Gaswaschwässer Cyanid-Abbaugrade von bis zu 91% erreicht werden.
The aims of the ongoing project are to determine substances that interfere with the online cyanide measurement
and gas scrubbing water treatment and, in addition, to
determine the spread of cyanide through the gas scrubbing
water circuit and develop a reliable and reproducible online
cyanide measuring system. Within the scope of the project,
BFI is currently studying the treatment of gas scrubbing
water using ozone, Fig. 32 . Cyanide decomposition rates
of up to 91% have been achieved using this method on
selected gas scrubbing water streams.
Im weiteren sind die Optimierung bzw. Kombination der
Ozon-Behandlung mit einer UV-Behandlung zur Steigerung
des Cyanidabaus sowie die Evaluierung des Verfahrens
in Betriebsversuchen im Bypass zu betrieblichen Gaswaschwasserkreisläufen geplant.
Future work will include optimisation of the ozone treatment in combination with UV treatment to increase the
rate of cyanide degradation, and evaluation of the method in shop trials in the bypass lines of industrial wet gas
scrubber circuits.
selektive Salzabtrennung
separation of salts
Beim Betrieb von Gaswaschwasser-, Kühlwasser- und
Spülwasserkreisläufen erhöht sich die Salzkonzentration
stetig. Dies ist einerseits auf den Salzeintrag über Prozessgase, Beizsäuren und Chemikalien zur Wasserkonditionierung sowie andererseits auf die Wasserverdunstung
zurückzuführen. Hohe Salzkonzentrationen verursachen
During the operation of gas scrubbing water, cooling
water and rinsing water circuits, a steady increase in salt
concentration can be observed. This is due on the one hand
to salt being entrained via process gases, pickling acids and
water conditioning chemicals and on the other hand to
evaporation of the water. High salt concentration levels
33 Beispiel zur Wiederverwendung des Spülwassers aus einer Beizlinie
Example on the rinsing water reuse in a pickling plant
54
Korrosion und Ablagerungen an Produkten und in den
Rohrleitungen. Um die Salzkonzentration niedrig zu halten, wird ein Teil des Prozesswassers abgeschlämmt. Dies
verursacht Kosten für die Frischwasserversorgung sowie
für die Entsorgung von Abwässern und Schlämmen.
cause corrosion and deposits on products and in piping
networks. In order to keep the salt concentration down,
part of the process water is purged. This generates costs
for replenishment with fresh water and for the disposal
of the waste water and sludges.
In einem Europäischen Forschungsprojekt untersuchte
das BFI zusammen mit fünf Projektpartnern aus Forschung
und Industrie Möglichkeiten zur Verminderung des Frischwasserbedarfes und des Abwasseranfalls durch die Minimierung des Salzeintrags in die Prozesswasserkreisläufe
und eine selektive Salzabtrennung. Das Ziel des Projektes
war die Entwicklung von innovativen Konzepten für die
nachhaltige Wasser- und Infrastrukturbewirtschaftung in
der Europäischen Stahlindustrie.
In a European research project, BFI and five project
partners from research and industry are investigating the
possibilities for reducing the fresh water requirement and
the volume of waste water by minimising the amount of
salts entrained into process water circuits and through
selective salt separation. The aim of the project was to
develop innovative concepts for sustainable water and infrastructure management in the European steel industry.
Aktueller Stand in der Stahlindustrie ist eine zentralisierte Behandlung von verschiedenen Abwässern mit
anschließender Ableitung. Laborversuche haben gezeigt,
dass solche Mischabwässer kaum wiederverwendet werden
können. Durch eine frühzeitige Trennung konzentrierter und schwach belasteter Prozesswässer kann sowohl
die Wiederverwendung des Wassers als auch die Rückgewinnung von reinen Salzen erreicht werden. Eine direkte
Wiederverwendung des Abwassers im gleichen System ist
in der Regel möglich. Zur Salzabtrennung aus Prozesswässern der Stahlindustrie war die Umkehrosmose am besten
geeignet. In Betriebsversuchen wurde nachgewiesen, dass
durch die Behandlung des Spülwassers aus einer Schwefelsäurebeize mit Mikrofiltration, Magnetabscheidung und
Umkehrosmose (Bild 33 ) eine wirtschaftlich sinnvolle Frischwassereinsparung von 90% erzielbar ist. Die Verwertung
von abgetrennten Salzen ist bisher nicht wirtschaftlich
darstellbar. Hier besteht weiterhin Forschungsbedarf.
The status quo in the steel industry is to have centralised treatment of different waste water streams with
discharge after treatment. Laboratory tests have shown
that such mixed types of waste water can hardly ever
be reused. By separating process water streams with a
high concentration and a weak concentration at an early
stage and it is possible not only to re-use the water but
also to recover pure salts. It is also generally possible to
feed the waste water back into the same system. Reverse
osmosis proved to be the method best suited for separating out salts from steel industry process waters. In
industrial trials it was demonstrated that by treating the
rinsing water from a sulphuric acid pickling line with
microfiltration, magnetic particle separation and reverse
osmosis (Fig. 33 ), it is possible to achieve economically
sustainable savings in fresh water of 90%. It has not yet
been possible to demonstrate an economically reasonable way of recycling the salts that were separated out.
Further research will be required here.
Herstellung von Synthesegas aus Kohlendioxid
und Wasserstoff
dioxide and hydrogen
In einer branchenübergreifenden Zusammenarbeit wollen Partner aus der Industrie und der Forschung gemeinsam
mit dem BFI eine umweltfreundliche und wettbewerbsfähige Basis für die Nutzung des Klimagases Kohlendioxid
(CO2) in großem Maßstab schaffen. Ziel ist es, durch eine
innovative Verfahrenstechnik Kohlendioxid als Rohstoff
einzusetzen und zu verwerten – mit positiven Effekten
für den Klimaschutz. Hierzu entwickeln die Projektpartner
gemeinsam einen zweistufigen Prozess (Bild 34 ). Im ersten
Schritt werden mit einer neuartigen Hochtemperatur-Technologie aus Erdgas Wasserstoff und Kohlenstoff hergestellt.
Dabei wird im Gegensatz zu anderen Verfahren besonders
wenig CO2 erzeugt. Anschließend werden große Mengen
CO2 – auch aus anderen industriellen Prozessen – mit
diesem Wasserstoff zu Synthesegas umgesetzt. Synthesegas,
ein Gemisch aus Kohlenmonoxid und Wasserstoff, ist ein
wichtiges Grundprodukt für die chemische Industrie und
eignet sich zudem zur Herstellung von Kraftstoffen. Der
In a cross-sectoral cooperation, partners from industry
and academia plan to develop together with BFI an environmentally friendly and competitive basis for utilizing
the climate gas carbon dioxide (CO2) on an industrial scale.
The aim is to employ an innovative process technology
to use carbon dioxide as a raw material, with positive effects on climate protection. To this end, the companies are
developing a two-stage process (Fig. 34 ). In the first step,
an innovative high-temperature technology will process
natural gas to obtain hydrogen and carbon. Compared
with other processes, this technology produces very little
CO2. The hydrogen is then reacted with large volumes of
CO2, also from other industrial processes, to give syngas.
A mixture of carbon monoxide and hydrogen, syngas is
a key raw material for the chemical industry and is also
suitable for producing fuels. The carbon is intended for
use as a high-grade substitute for hard coal in the coke
and steel industry.
55
Ressourcentechnologie und Kreislaufprozesse · Resource Technology and Recycling Processes Kohlenstoff soll in der Koks- und Stahlindustrie als hochwertiger Ersatz für Steinkohle eingesetzt werden.
Die wesentlichen Aufgaben des BFI sind die Spezifikation
des Kohlenstoffs, die Formulierung und das Handling der
festen Produkte sowie die Entwicklung eines neuartigen
Heizungskonzeptes für den Pyrolysereaktor.
The main contribution of BFI is the carbon specification,
formulation and handling of solid products and the development of an innovative heating concept for the pyrolysis
reactor.
Herstellung eines hochwertigen
Zinkoxidprodukts aus ungenutzten zinkhaltigen
Produktionsrückständen durch SchmelzbadInjektion
from industrial residues by melt bath injection
Die zunehmende Verwendung verzinkter Schrotte
führt in den Schmelzprozessen zu einem erhöhten Anfall zinkhaltiger Filterstäube. Zinkhaltiger Filterstaub von
Großerzeugern wird üblicherweise in externen Großanlagen auf bereitet (Wälzprozess), wobei eine Nutzung des
enthaltenen Eisens nicht möglich ist. Für Schmelzbetriebe
mit kleinerer Filterstaubmenge sowie bei Filterstaub mit
geringem bis mittlerem Zinkgehalt (2 bis 30 Massen-%) ist
eine betriebsinterne Verwertungslösung mit Rückgewinnung des enthaltenen Eisens gewünscht.
Increased use of galvanised scrap in melting processes
results in increasing quantities of zinc-bearing filter dusts.
Usually, zinc-containing filter dust from larger companies
is processed in large external plants (Waelz process). Here,
the iron content cannot be recovered. For melting plants
producing a smaller amount of filter dust or having medium- or low-zinc filter dust (2 to 30 mass % Zn), an internal
(in-plant) recovery process enabling simultaneous zinc and
iron recovery, would be preferred.
Zur betriebsinternen Verwertung zinkhaltiger Filterstäube wurde daher eine neue Anlagentechnik zur Schmelzbad-Injektion in einen betrieblichen Induktions-Schmelzofen entwickelt (Bild 35 ). Entwicklungspartner sind neben
dem BFI ein Anlagenbauer sowie ein Schmelzbetrieb. Kern
aspekt ist die Injektion pneumatisch förderfähiger eisenund zinkhaltiger Filterstäube über eine Tauchlanze in das
Eisen-Schmelzbad eines Induktionsofens. Durch Reduktion
In order to close this gap, an in-plant recovery technology for melt bath injection of zinc-bearing filter dust into
an industrial induction melting furnace was developed
(Fig. 35 ). Development partners besides the BFI are a plant
manufacturer and a melting plant. The main aspect of
the new technology is the injection of pneumatically conveyable, Zn- and Fe-bearing filter dusts via a submerged
lance into the iron melt bath of an induction furnace.
By reduction with carbon, metallic iron is formed, which
34 Schema des neuen Prozesses und Verwendung der Produkte
Block diagram of the new process and product uses
56
mit Kohlenstoff bildet sich metallisches Eisen, das in das
Eisen-Schmelzbad übergeht, sowie Zinkdampf, der an der
Ofenatmosphäre infolge Luftzutritts zu Zinkoxid verbrannt
wird. Das Zinkoxid-Produkt wird mit dem Ofenabgas ausgetragen, einer Filteranlage zugeführt und abgeschieden.
transitions into the iron melt bath. In addition, gaseous
zinc is formed, which is oxidised to the zinc oxide product
in the furnace atmosphere by reaction with entering air.
The zinc oxide product leaves the furnace via the exhaust
gas and is precipitated in a filter plant.
Die Forschungsarbeiten umfassen neben der Ermittlung
optimaler Betriebsparameter die Erarbeitung eines Stoffund Energiebilanz-Rechenmodells zur Unterstützung der
Prozessoptimierung. Weiterhin wird ein Anlagen-, Betriebsund Steuerungskonzept für die Pilotanlage zur Schmelzbad-Injektion entwickelt.
The research work includes the definition of optimised
operational parameters, the development of a material- and
energy balance process model for support of the process
optimisation. Furthermore, a concept for design, operation
and process control for the melt bath injection pilot plant
will be developed.
Bei den bisherigen Betriebsversuchen wurde ein sehr
gutes Zinkausbringen in das Zinkoxid-Produkt erzielt und
ein hochqualitatives, gut handhabbares Zinkoxid-Produkt
mit einem durchschnittlichen Zink-Massenanteil von
63% erzeugt. Auch das Eisen-Ausbringen in das Schmelzbad
ist nahezu vollständig.
During recent operational trials, a very good zinc yield
into the zinc oxide product and an easily handled high-quality zinc oxide with an average Zn content of 63% was
obtained. Moreover, nearly all the iron was recovered.
Thermochemische Berechnungen und FlowSheet Modellierung
Thermochemical calculations and flow-sheet
modelling
Zur Entwicklung neuer metallurgischer Prozesse für
die Metallrückgewinnung aus Reststoffen sowie zur metallurgischen Verfahrensoptimierung ist die Kenntnis der
chemischen Stoffumwandlungen sowie der Stoff- und Energiebilanz von entscheidender Bedeutung. Das BFI führt
hierzu die erforderlichen “Feasibility Studies“ mit Hilfe
softwareunterstützter thermochemischer Berechnungen
Knowledge of chemical conversion processes and the
substance and energy balances involved are of crucial importance in developing new metallurgical processes for
recovering metals from residuals and optimising metallurgical processes. BFI carries out the required feasibility
studies in this area with the help of software-supported
thermochemical calculations and flow-sheet modelling.
35 Injektionsanlage während der Schmelzbad-Injektion am Induktionsofen
Injection unit during melt bath injection at an induction furnace
57
Ressourcentechnologie und Kreislaufprozesse · Resource Technology and Recycling Processes und Flow-Sheet Modellierung durch. Bild 36 zeigt hierzu
beispielhaft das Schema eines Prozess-Rechenmodells für
die Schmelzbad-Injektion.
Die erzeugten Berechnungsmodelle basieren auf einer
Stoff- und Energiebilanzierung und stützen sich in Abhängigkeit der Datenlage auf thermochemische Gleichgewichtsberechnungen oder reale Betriebsdaten. Ziele sind z. B. die
Abschätzung des Rohstoff- und Energiebedarfs sowie die
Menge und Zusammensetzung der Produkte und Nebenprodukte für ausgewählte Prozesse und Prozessketten. Weiterhin liefern die Berechnungsmodelle Daten zur Auswirkung
veränderter Prozessparameter in einer Prozesskette. Auf
dieser Basis werden dann die Machbarkeitsstudien erstellt
oder Verfahrensoptimierungen erarbeitet.
Fig. 36 shows an example in the form of a process
calculation model for melt bath injection.
The generated calculation models are based on a substance and energy balance and, depending on the data
situation, are supported either by thermochemical equilibrium calculations or by real operating data. The aims
include the estimation of the feedstock and energy demand
and the quantity and composition of the products and
by-products for the selected processes and process chains.
In addition, the calculation models supply data on the
effects of changing process parameters in a process chain.
This provides the basis for performing feasibility studies
or optimising processes.
Aufbereitung von Stahlwerksschlacke zur
Weiterverwendung als Düngemittel und
Erzersatz
Conditioning of steelmaking slag for use as a
fertilizer and ore substitute
Die Verwertung von Stahlwerksschlacken gewinnt in
Europa aufgrund steigender Rohstoff kosten sowie verschärfter Anforderungen an die Deponierung zunehmend
an Bedeutung. Zur verbesserten, wirtschaftlichen Verwendung werden vom BFI, in Zusammenarbeit mit Partnern
aus Wirtschaft und Forschung, Untersuchungen zur Verwertung von Stahlwerksschlacke durchgeführt. Ziel ist es,
ein Behandlungsverfahren zu entwickeln, mit dem die
Stahlwerksschlacke in eine phosphorreiche silikatische
und in eine eisenreiche Fraktion getrennt wird. Die phos-
The recycling of BOF slag is becoming increasingly important in Europe due to rising raw material costs and stricter
requirements on landfilling. For improved economic use,
studies are being carried out by the BFI, in cooperation with
partners from industry and research on the utilization of
steel slag. The aim is to develop a method of treatment with
which the BOF slag is separated into a phosphorus-rich
silicate and an iron-rich fraction. The phosphorus-rich fraction is to be used as a fertilizer replacement, while the
iron-rich fraction is used as an ore substitute for sintering
36 Schema eines Prozess-Rechenmodells am Beispiel der Schmelzbad-Injektion
Schematic of a process model for melt bath injection
58
phorreiche Fraktion soll als Düngemittelersatz verwendet
werden, während die eisenreiche Fraktion als Erzersatz
für die Sinteranlage und somit für die Roheisenerzeugung
nutzbar wird. Der erste Behandlungsschritt der Schlacke hat
zum Ziel, das Phosphat in der silikatischen Schlackenphase anzureichern und die Kristallite der unterschiedlichen
Schlackephasen durch langsames Abkühlen zu vergrößern,
um eine nachgeschaltete Trennung zu ermöglichen. Im
zweiten Behandlungsschritt wird die Trennung der Schlackenphasen untersucht. Dazu wird die Schlacke durch Mahlen aufgeschlossen. Anschließend werden zur Trennung
der aufgeschlossenen Schlacke in eine nicht-magnetische
phosphorreiche und eine magnetische eisenreiche Fraktion nasse und trockene Magnetseparatoren eingesetzt.
Bild 37 zeigt einen Testrohrmagneten im Technikum des
BFI, der zur Untersuchung des magnetischen Trennverhaltens der aufgeschlossenen Schlacke eingesetzt wird.
plants and thus for the production of pig iron. The aim of
the first treatment step is to enrich the phosphate in the
silicate slag phase and to enlarge the crystallite sizes of the
slag phases by slow cooling, to improve the subsequent
separation. In the second treatment step, the separation
of the slag phases is examined. To do this, the slag has to
be ground. Then wet and dry magnetic separators are used
to separate the ground slag into a non-magnetic phosphorus-rich and a magnetic iron-rich fraction. Fig. 37 shows
a Davis tube in the laboratory of the BFI, which is used to
study the magnetic behaviour of the slag.
Sicherung des Einsatzes von
Stahlwerksschlacken in der Bauindustrie
Assuring the use of steelmaking slags in the
construction industry
Die Einsetzbarkeit von Stahlwerksschlacken als Baustoff
wird neben den mechanischen Eigenschaften wesentlich
vom Auslaugverhalten der Schlacken bestimmt. Das Auslaugverhalten von Schlacken wird mit Hilfe vorgegebener
Tests bewertet, in denen Wasser unter definierten Bedingungen mit der Schlacke in Kontakt gebracht wird und die
Konzentrationen der ausgelaugten (eluierten) Stoffe im
Wasser bestimmt werden. Geänderte Auslaugetests und
The usability of steelmaking slags as construction materials depends not only on the mechanical properties but
also to a great extent on the leaching behaviour of the
slags. Slag leaching behaviour is evaluated with the help
of mandatory tests in which water is brought into contact
with the slag under defined conditions and the concentration of the leached (eluted) substances in the water is then
determined. Changed leaching tests and stricter limits in
37 Testrohrmagnet zur Untersuchung des magnetischen Trennverhaltens
Davis tube to study the magnetic separation behaviour
59
Ressourcentechnologie und Kreislaufprozesse · Resource Technology and Recycling Processes verschärfte Grenzwerte in der neuen Ersatzbaustoffverordnung (EBV) werden in Zukunft die Einsetzbarkeit der
Elektroofenschlacken einschränken.
the new (German) Ordinance on Substitute Construction
Materials (Ersatzbaustoffverordnung, EBV) will in future
restrict the usability of EAF slags.
In einem Forschungsprojekt des BFI mit vier europäischen Partnern werden zwei Ansätze zur Sicherung der
Einsetzbarkeit der Schlacken untersucht. Zum einen werden verschiedene Verfahren zur Immobilisierung von eluierbaren Stoffen in der Schlacke getestet. Zum anderen
entwickelt das BFI ein Verfahren zur Entfernung eluierter
Stoffe aus dem Wasser der Schlackenbehandlung.
In a research project undertaken by BFI with four European partners, two approaches for assuring the use of
slags are being investigated. One of these is the study of
different processes for immobilising elutable substances
in the slag. The other is a process being developed by
BFI to remove eluted substances from the slag treatment
water.
Als Ausgangspunkt wurde im ersten Projektabschnitt
die Situation der Schlackennutzung und der Schlackenqualität in den Partnerwerken untersucht. Damit konnten
die Zielgrößen festgelegt werden. In Deutschland sind dies
Molybdän, Vanadium, Chrom und Fluorid. In Laborversuchen im BFI wurden Verfahrensoptionen zur Behandlung
der Wässer bestimmt. Die Adsorption wurde als geeignetes
Verfahren zur Entfernung der genannten eluierten Stoffe
ermittelt. Sie kann abhängig von der behandelten Schlacke
und der Wasserqualität entweder ohne Vorbehandlung des
Wassers oder nach einer teilweisen Neutralisation durchgeführt werden.
The starting point in the first stage of the project was
to assess the slag utilisation situation and the quality of
the slag in the partner enterprises. This made it possible to define the target substances. In Germany, these are
molybdenum, vanadium, chromium and fluoride. In laboratory tests at BFI likely methods for treating the water
were identified. Adsorption was determined as a suitable
way of removing the above-mentioned eluted substances.
Depending on the slag to be treated and the water quality,
this can be performed either without pretreating the water
or after partial neutralisation.
In betrieblichen Versuchen in einem Elektro-Stahlwerk
(siehe Bild 38 ) konnte gezeigt werden, dass das Adsorptionsverfahren für die Betriebsbedingungen in der Schlackenbehandlung grundsätzlich geeignet ist. Im Projektverlauf
In industrial tests in an electric steelmaking plant (see
Fig. 38 ) it was demonstrated that the adsorption process
is generally suited for the operating conditions in slag
treatment. The project plan includes further operational
trials for water treatment by means of adsorption. The work
38 BFI-Versuchsaufbau zum betrieblichen Test der Adsorption
Davis tube to study the magnetic separation behavior
60
sind weitere betriebliche Versuche zur Wasserbehandlung
mittels Adsorption geplant. Den Abschluss der Arbeiten
wird eine Kosten-Nutzen-Analyse der Behandlung des
Schlackenwaschwassers in Bezug auf die Schlackennutzung bilden. Weiterer Forschungsbedarf über das laufende
Projekt hinaus wird in der Verbesserung der Waschprozesse
von Elektroofenschlacken in Kombination mit Kreislaufführung des Wassers gesehen.
will be completed by a cost-benefit analysis of slag washing
water treatment with respect to the use of slag. Beyond the
scope of the current project, more research will be needed
to improve the washing process for electric steelmaking
slags in combination with recycling of the water.
resource technology for feedstocks
Neben nationalen und internationalen Forschungsvorhaben wurden Optimierungsarbeiten und Problemlösungen
für verschiedene betriebliche Fragestellungen zur Prozesschemie und Metallurgie sowie der Nutzung alternativer
Einsatzstoffe inklusive einer geeigneten Materialvorbereitung im Rahmen von Auftragsuntersuchungen erfolgreich
durchgeführt, wie z. B.:
• Pelletierung und Brikettierung von Hüttenreststoffen
• Herstellung von Nusskoksersatz aus alternativen Kohlenstoffträgern
• Konzepte zur Vermeidung und Verringerung von
Prozessrückständen
• Prozesskonzepte für die Verwertung von Reststoffen
• Reduktionsverhalten von Hüttenreststoffpellets
• Rückgewinnung von metallischen Wertstoffen aus
Prozessrückständen
• Betriebliche Betreuung und messtechnische Unterstützung bei der Inbetriebnahme von Anlagen zur
Reststoffverwertung
• Prozessmodelle für eine angepasste Betriebsweise mit
alternativen Kohlenstoffträgern sowie einer Rückführung von Reststoffen und Prozessrückständen
• Umstellung von Produktionsprozessen für die Verwendung alternativer Kohlenstoffträger
• Maßnahmen zur Optimierung der Schlackeführung
• Abluftreinigung durch adsorptive Abscheidung leichtund schwerflüchtiger organischer Komponenten
• Branchenübergreifende Nutzung von Reststoffen aus
der Abluftreinigung
• Alternative Nutzung von Kuppelgasen der Eisen- und
Stahlindustrie
Alongside national and international research projects, activities included successful optimisation and
problem-solving work within the context of contract
assignments dealing with various industrial issues regarding process chemistry and metallurgy, as well as the
use of alternative input materials, including the appropriate material preparation or conditioning. Examples
of this are:
• Pelletizing and briquetting of steel works residues
• Producing substitute for nut coke from alternative
carbon sources
• Concepts available for prevention and decreasing of
process residues
• Process concepts for recycling of residuals
• Reduction behaviour of pellets from steel works residues
• Recovery of metallic valuable substances from process
residues
• Operational support and assistance with measurement techniques at the start-up of plants for recycling
• Process model for an adapted operating method with
alternative carbon sources and for recirculation of
residues
• Adjustment of production processes for use of alternative carbon sources
• Procedures for optimisation of slag control
• Exhaust air cleaning by adsorption of volatile organic
compounds
• Cross-sectoral use of residues from exhaust air cleaning
• Alternative utilization of off-gases from the iron and
steelmaking industry
und Kreislaufführung flüssiger Medien
Various projects relating to the use, treatment
and closed-loop operation of liquid media
Neben nationalen und internationalen Forschungsvorhaben wurden Optimierungsarbeiten und Problemlösungen
für verschiedene betriebliche Fragestellungen zu Einsatz,
Behandlung und Kreislaufführung flüssiger Medien im Rahmen von Auftragsuntersuchungen erfolgreich durchgeführt,
wie z. B.
• Rückgewinnung von metallischen Wertstoffen durch
Laugung
Alongside national and international research projects, activities included successful optimisation and
problem-solving work within the context of contract assignments dealing with various industrial issues regarding
the use, treatment and closed-loop operation of liquid
media. Examples of this are:
• Recovery of metallic materials
by leaching
61
Ressourcentechnologie und Kreislaufprozesse · Resource Technology and Recycling Processes • Einsatz der kontinuierlichen Inline-Messung der Polymerkonzentration in einem betrieblichen Abschreckprozess
• Optimierung der Behandlung sulfathaltiger Prozesswässer
• Betreuung von betrieblichen Analysesystemen zur
Bestimmung der Metall- und Säurekonzentration in
Beizbädern
• Erweiterung und Effizienzsteigerung von Beizanlagen
• Neukonzeption und Optimierung von Neutralisationsanlagen
• Behandlung von Gaswaschwasser zur Kreislaufführung
• Einsatz der Mikrowellentechnik im Bereich der Emulsionsanalytik
• Verringerung des Kühlwasserverbrauchs durch prozessinterne Abwärmenutzung
• Betriebliche Betreuung von Prozesswasserbehandlungsanlagen (Neutralisation, biologische Behandlungsanlage)
• Behandlung und Entwässerung von Dünnschlämmen
• Entfernung von Chlorid aus Spülwässern zur Kreislaufführung
• Optimierung der Öl- und Feststoffabscheidung aus
Kühlwasser
• Zunder- und Partikelabscheidung aus Prozessbädern
• Use of continuous inline measurement of polymer
concentrations in an industrial quenching process
• Optimisation of treatment of sulphate-containing
process waters
• Monitoring/management of industrial analytical
systems for determining the metal and acid concentrations in pickling baths
• Expansion and efficiency boosting of pickling lines
• New design and optimisation of neutralisation lines
• Treatment of gas scrubbing water for closed-circuit
operation
• Use of microwave technology for emulsion analytics
• Reduction of cooling water consumption through
in-process use of waste heat
• On-site management/monitoring of process water
treatment lines (neutralisation, biological treatment
plants)
• Treatment and dewatering of thin sludges
• Removal of chloride from rinsing waters to allow
closed-circuit operation
• Optimisation of oil and solids separation from cooling
water
• Scale and particle separation from process baths
62
Prozesstechnik
Roheisen- und Stahlerzeugung
Process
Iron- and Steelmaking
Sinteranlagen
Optimizing the use of permeability bars in sinter
plants
64
Innovative Kohlenstoffprodukte als Koksersatz für
den Hochofen
Innovative carbon products for substituting coke
in BF operation
65
Regelbasierte Vorschläge der Kohlezufuhr eines
Hochofens
blast furnaces
66
Herdverschleißüberwachung
Supervision of the hearth wear state
67
Hochofenprozess
Development of measuring tuyeres for the blast
furnace process
67
Optimierung des Reinheitsgradspülens bei der
sekundärmetallurgischen Behandlung
Optimisation of cleanliness improvement stirring
during secondary metallurgy treatment
68
Effizienzsteigerung von Entstaubungsanlagen
Improving the efficiency of dedusting systems
70
Prozesstechnik | Process
Roheisen- und Stahlerzeugung · Iron- and Steelmaking
Sinteranlagen
Optimizing the use of permeability bars in sinter
plants
Die Permeabilität des Sinterbetts ist ein wesentlicher
Parameter für die Optimierung von Produktivität und
Sinterqualität. Die Sinterbett-Permeabilität kann durch
vertikale und horizontale (Bild 39a ) Permeabilitätsstäbe
beeinflusst werden, die im Bereich der Sinteraufgabe installiert sind. Obwohl Auflockerungsstäbe seit Jahrzehnten
eingesetzt werden, sind ihre Wirkungsweise und betrieblichen Auswirkungen, z. B. auf den Verlauf der Flammenfront (Bild 39c ), bislang nicht vollständig verstanden.
The permeability of sinter beds is a vital parameter for
optimizing the sinter process with respect to productivity
and sinter quality. The bed‘s permeability can be affected
by vertical and horizontal permeability bars (Fig. 39a ),
which are positioned at the sinter strand charge. However,
even after 20 years of permeability bar usage and research,
their local and overall effects on the sinter process, e. g. on
the shape of the flame front (Fig. 39c ), are not completely
understood.
Bei diesem Projekt wurde u. a. in Betriebsversuchen
in mehreren europäischen Sinteranlagen der Verlauf der
Flammenfront im Sinterbett bei unterschiedlichen Permeabilitätsstab-Konfigurationen untersucht. Ergänzend wurde
im Labormaßstabstab der Einfluss der Permeabilitätsstäbe
untersucht.
Operational trials combined with special measurements
(e.g. flame front analysis) were conducted with different
permeability bar configurations in several European sinter
plants as well as lab-scale experiments in order to understand the basic mechanisms induced by the permeability
bars.
Basierend auf dem in den Versuchen erworbenen Wissen
wird am BFI ein mathematisches Modell des Sinterprozesses
entwickelt, mit dem das Verständnis für die Wirkungsweise
von Auflockerungsstäben vertieft und die Stabkonfiguration in den einzelnen Sinteranlagen optimiert werden
kann (Bild 39b ). Die in den Versuchen gewonnenen Daten
werden dabei zur Kalibrierung und Validierung des Prozessmodells benutzt (Bild 39c , 39d ).
A mathematical model of the sinter process is being
developed at BFI as a utility for understanding the effects
of permeability bars and optimizing their arrangement at
the individual sinter plants (Fig. 39b ). The data collected
during the trials are used for calibration and validation of
the process model (Fig. 39c , 39d ).
thorsten.hauck@bfi.de
a)
b)
c)
d)
39 a) Hor. Rechenstäbe
b) Einfluss der hor. Rechenstäbe auf den Lückengrad
c) Fotografie der Flammenfront
d) berechneter Verlauf der Flammenfront
a) hor. bars
b) effect of hor. bars on porosity
c) photograph of the shape of the flame front
d) calculated shape of the flame front
64
Innovative Kohlenstoffprodukte als Koksersatz
für den Hochofen
Innovative carbon products for substituting
coke in BF operation
Die Substitution von metallurgischem Koks im Hochofen
durch günstige, gleichwertige Kohlenstoffersatzprodukte
reduziert die Produktionskosten für Roheisen. Als Basis für
die Entwicklung der Kohlenstoffersatzprodukte wurden
kohlenstoff haltige Ersatzstoffe, wie z.B. Koksgrus, Anthrazit, Petrolkoks und Holzkohle ausgewählt und die chemischen, physikalischen und thermischen Eigenschaften
analysiert und bewertet. Für die Kohlenstoffersatzprodukte
wurden als Bewertungsmaßstab Anforderungen, wie z.B.
Kohlenstoffgehalt, Festigkeit und Reaktivität, definiert.
Basierend auf den Analysen der Einsatzstoffe wurden Mischungen aus kohlenstoff haltigen Ersatzstoffen und mineralischen Bindemitteln entwickelt und kaltgebundene
Kohlenstoff briketts hergestellt (Bild 40 ). Zur Bewertung
wurden die Zusammensetzungen, die Kalt- und Warmfestigkeiten und Reaktivitäten der Kohlenstoff briketts mit
den Anforderungen verglichen und bei Abweichungen die
Mischungen optimiert.
The aim of the project was to substitute metallurgical
coke in the blast furnace by alternative, carbon-containing
materials and thereby reduce the production costs of pig
iron. As a basis for the development of carbon-containing
substitute materials, such as coke breeze, anthracite, petroleum coke and charcoal were selected and the chemical, physical and thermal properties were analyzed and
evaluated. As a benchmark, requirements such as carbon
content, strength and reactivity were defined. Based on the
analysis of the carbon-containing materials and mineral
binders, mixtures were designed and cold bonded carbon
briquettes were produced (Fig. 40 ). For the evaluation of
the carbon briquettes the compositions as well as cold
and hot strengths and reactivities were compared with the
requirements. Where deviations were found, the mixtures
were optimized.
Für die industriellen Hochofenversuche wurde eine Versuchscharge von 2.000t Kohlenstoff briketts mit einer Steinpresse produziert. Diese wurde bei den Hochofenversuchen
als Substitut für metallurgischen Koks eingesetzt. Bei den
Versuchen wurden 12 % des metallurgischen Koks durch
Kohlenstoff briketts bei einer konstanten Produktionsrate
mit einem Austauschfaktor von ca. 0,7 ersetzt.
For the industrial blast furnace tests a batch of 2,000
tonnes of carbon briquettes were produced using a stone
press. The briquettes were used as a substitute for metallurgical coke . In the tests, 12% of the metallurgical coke
has been replaced by carbon briquettes at a constant production rate with an exchange rate of about 0.7.
40 Brikettierung von Kohlenstoffersatzprodukten
Briquetting of alternative carbon products
65
Regelbasierte Vorschläge der Kohle-Einblasung
eines Hochofens
blast furnaces
In Zusammenarbeit mit zwei Hüttenwerken wurde ein
regelbasiertes System entwickelt, mit dem bewährte Vorgehensweisen der Kohle-Einblasung und weiterer Prozessführungsaufgaben in programmierte Regeln umgesetzt werden.
Ausgehend von den aktuellen Betriebsdaten liefert dieses regelbasierte System Hinweise und Vorschläge zur Ofenfahrweise.
Damit die Vorschläge des regelbasierten Systems zuverlässig und hilfreich sind, müssen sie vorher gründlich durch
Vergleiche mit der bisher bewährten Praxis der Prozessführung überprüft werden. Bild 41 zeigt eine Bildschirmdarstellung des regelbasierten Systems. In der Grafik werden
drei Variablen der Kohle-Einblasung in den Hochofen dargestellt, jeweils in der Einheit t/h. Die rote Kurve zeigt den
gemessenen Istwert. Die grüne Kurve zeigt den Sollwert,
den die verantwortlichen Mitarbeiter im Leitstand vorgegeben haben. Der Abstand zum Istwert entsteht durch
automatisch vorgenommene Anpassungen entsprechend
der Windmenge. Die Veränderungen des Sollwerts über
die dargestellten Tage werden durch abstichweise mit Sollwert-Abweichungen von Temperatur und Siliziumgehalt
im Roheisen sowie mit Veränderungen von Windmenge
und Schmelzleistung begründet.
In cooperation with two blast furnace plants, a rulebased system was developed to implement proven
strategies for coal injection and other targets of process control into programmed rules. Observing the
current measuring data, the rule-based system provides proposals for the furnace operating regime.
To make the rule-based system reliable and useful, the
proposals must be carefully verified by comparison with
the proven present operational practice. Fig. 41 shows a
screen output of the rule-based system. Three variables
of blast furnace coal injection are represented as trend
curves, each with the unit t/h (tonnes of coal per hour).
The red curve shows the measured coal injection rate. The
green curve show the coal rate setpoint, as input by the
operator responsible for blast furnace control. The distance
to the measured value results from automatic adaptation
according to the hot blast volume. The setpoint modifications along the represented time interval are required
due to deviations in hot metal temperature at tapping and
silicon, changed hot blast rate and changed melting rate.
Die blaue Kurve zeigt den Vorschlag des regelbasierten
Systems. Dieser Vorschlag soll zunächst dem Kohle-Istwert
nahe kommen, nach dem bisher der Hochofen zuverlässig
geführt wird. Für einzelne Situationen sollen zukünftig
Verbesserungen erreicht werden, die zu einer stabileren
Roheisentemperatur beitragen.
The blue curve shows the coal rate proposed by the
rule-based system. This value should initially be similar
to the measured coal rate, which has provided the satisfactory blast furnace operation so far. In future, improved
operation will be achieved in some situations where the
proposal can help to reach a stable hot metal temperature
earlier and more accurately.
41 Vergleich der Kohlezufuhr am Hochofen mit dem Vorschlag des regelbasierten Systems
Comparison of measured blast furnace coal injection rate with rate suggested by the rule-based sytem
66
Herdverschleißüberwachung
Supervision of the hearth wear state
Der Herdverschleiß ist für viele Hochöfen ein bestimmender Faktor für die Länge der Hochofenreise. Daher ist
die Kontrolle des Herdverschleißes eine wichtige Voraussetzung für die Betriebssicherheit des Hochofens. Auf Basis der
Software Comsol hat das BFI ein FEM-Simulationsmodell
zur 3D-Online-Identifizierung von Herdverschleiß und Anbackungen entsprechend den Thermoelement-Messungen
in der Feuerfestauskleidung entwickelt.
For many blast furnaces, hearth wear restricts the length
of the blast furnace campaign. Therefore, supervision of the
hearth wear state is a major prerequisite for assuring both
operational reliability of the blast furnace and occupational
safety. Taking the Comsol software as the basis, BFI has
engineered an online FEM simulation tool for identifying
3D wear/skull with the help of the thermocouples installed
in the refractory.
Eines der schwierigen Probleme ist die Interpolation der
3D-Verschleißfläche im Gegensatz zur relativ einfachen
2D-Berechnungsmethode. Hierfür wurden verallgemeinerte radiale Basisfunktionen (RBF) als Interpolationsmethode angepasst. Die dünneren Teilschichten, wie die
Stampfmasse zwischen den Feuerfestblöcken, wurden als
spezielle Schichtelemente modelliert, womit die nötige
FEM-Netz-Auflösung ohne Verlust von Genauigkeit erheblich reduziert wird. Das entwickelte Simulationsmodell ist
extrem flexibel und hat eine breite Wahl von Möglichkeiten, um die Ergebnisse darzustellen. Ein Beispiel hierfür
sind vertikale und horizontale 2D-Schnittdarstellungen
sowie auseinandergezogene und abgerollte Darstellungen
der Verschleißkontur im Herd, wie in Bild 42 gezeigt. Ein
weiteres aktuell erstelltes Beispiel sind die 3D-Ansichten
der Verschleißkontur, wie in Bild 43 gezeigt.
One of the most challenging problems is the interpolation of the 3D wear surface, as compared with relatively
simple 2D wear models. Thus a more generalized radial
basis function (RBF) network method has been adopted.
Furthermore, the thin layers such as the ramming mix
layers between refractory blocks are modelled using thin
thermal layer elements, which helps to reduce the FEM
mesh size considerably without any loss of accuracy.
The developed model is extremely flexible and has a
variety of possibilities to represent the results. For example, 2D vertical and horizontal sections, wear contours of
expanded/unrolled wall, as shown in Fig. 42 , and 3D wear
views, as shown in Fig. 43 , are currently implemented.
Hochofenprozess
Development of measuring tuyeres for the blast
furnace process
Die häufigste Ursache für ungeplante Betriebsstillstände
von Hochöfen ist die Schädigung und der hieraus resultierende Wechsel der aus Kupfer gefertigten Einblasdüsen,
The most frequent cause of unplanned blast furnace
downtime is damage to and subsequent replacement of
the copper tuyeres (injection nozzles) in the blast furnace
42 43 Verschleißkonturen im Herd
3D Herdverschleiß
Wear contours of the hearth
3D hearth wear
67
den so genannten Blasformen im Gestell des Hochofens.
Zur Deckung der Wärmeverluste beim Betriebsstillstand
werden große Mengen an zusätzlichem Kohlenstoff i. d. R.
Koks verbraucht, ohne dass Roheisen produziert wird. Des
Weiteren müssen weite Teile der energieintensiven Hochofenperipherie, z. B. Winderhitzer, weiter betrieben werden.
Die Reduzierung ungeplanter Betriebsstillstände durch Standzeitverlängerung der Hochofenblasformen steigert daher die
Energie- und Ressourceneffizienz von Hochöfen signifikant.
Speziell die thermischen Bedingungen an der Spitze der
Hochofenblasform haben einen entscheidenden Einfluss
auf die Standzeit des Bauteils. Um die thermische Belastung
der Blasform näher zu untersuchen und mögliche Schadensursachen und -mechanismen abzuleiten, entwickelt
das BFI in Kooperation mit Hochofenbetreibern aus verschiedenen europäischen Ländern neue Messblasformen,
Bild 44. Mit diesen Messblasformen werden zeitliche Temperaturverläufe und Wärmeströme an der Blasformspitze
im laufenden Betrieb erfasst und ausgewertet. Des Weiteren
wird ein optisches Überwachungssystem für die Blasformen entwickelt. Die Ergebnisse des Forschungsprojektes
leisten einen Beitrag, die Ursachen und Mechanismen von
Blasformschäden besser zu verstehen und Maßnahmen zur
Reduzierung von Blasformschäden abzuleiten.
hearth. To cover the heat losses during downtime, large
quantities of additional carbon, usually coke, are consumed,
without any pig iron being produced. Furthermore, a large
proportion of the energy-intensive blast furnace peripherals
(e.g. hot-blast stove) still have to be kept running. The reduction of unplanned downtimes by prolonging the lifetime of
the blast furnace tuyeres therefore significantly increases
the energy and resource efficiency of blast furnaces.
The thermal conditions at the tip of the tuyere have a
particularly critical effect on the lifetime of this component. In order to study the thermal loading of the tuyere
more closely and identify possible causes of damage and
the damage mechanisms, BFI developed special measuring
tuyeres during a research project in cooperation with blast
furnace users in various European countries, Fig. 44. These
measuring tuyeres are used to record and evaluate the temperatures and heat flows over time at the tuyere tip while
the blast furnace is in operation. Besides this, an optical
monitoring system for tuyeres will be developed. The results
of the research project will help to better understand the
causes of tuyere damage and the mechanisms involved
and to determine measures for reducing tuyere damage.
Optimierung des Reinheitsgradspülens bei der
sekundärmetallurgischen Behandlung
Optimisation of cleanliness improvement
stirring during secondary metallurgy treatment
Die sekundärmetallurgische Behandlung ist von maßgeblicher Bedeutung für die Gewährleistung einer geforderten
Temperatur und Zusammensetzung der Schmelze sowie für
Secondary metallurgy treatment is of essential importance in achieving the required temperature and composition of the melt and for an optimal degree of cleanliness.
44 Einbau einer Messblasform am Hochofen
Measuring tuyere installed on blast furnace
68
einen optimalen Reinheitsgrad. Bild 45a zeigt eine Pfanne
im betrieblichen Einsatz. In einer letzten Prozessstufe der
sekundärmetallurgischen Behandlung wird durch das Spülen mit Inertgas (Reinheitsgradspülen) der Reinheitsgrad der
Schmelze verbessert. Dafür gilt es, geeignete Spülstrategien
bereitzustellen, die es ermöglichen, die unerwünschten
nichtmetallischen Einschlüsse aus der Stahlschmelze zu
entfernen. Hierzu werden am BFI, zusammen mit betrieblichen Messungen, experimentelle Modelluntersuchungen
und numerische Simulationsrechnungen durchgeführt.
Um die betriebliche Situation möglichst realitätsnah abzubilden werden im BFI neue numerische Modelle entwickelt.
Dabei wird der Spülvorgang unter Berücksichtigung der tatsächlichen Pfannengeometrie und temperaturabhängiger Materialdaten von Schmelze und Ausmauerungsmaterialen sowie
insbesondere das Verhalten unterschiedlicher Einschlusspopulationen systematisch untersucht. Bild 45b zeigt ein für
derartige Simulationsrechnungen generiertes numerisches
Gitter. In den Rechnungen können Anzahl und Position der
Spülsteine sowie die Spülrate zur Simulation unterschiedlicher
Betriebszustände variiert werden. Bei der numerischen Simulation der mehrphasigen Strömungsverhältnisse (Schmelze/
Gasblasen/Einschlüsse) wird insbesondere die Agglomeration
der nicht-metallischen Einschlüsse und das reale Verhalten
von Gasblasen in der Schmelze berücksichtigt. Bild 45c zeigt
ein numerisch berechnetes Geschwindigkeitsfeld für das zentrische Spülen. Bild 45d gibt in einer Farbrasterdarstellung die
Anzahl der Kollisionen als Maß für die Kollisionswahrscheinlichkeit in der Schmelze suspendierter Einschlüsse wieder.
Zur Erarbeitung weiterer Zusammenhänge zwischen
Spülprozess und Reinheitsgrad sowie zur Validierung der
numerischen Ergebnisse werden auch physikalische Modelluntersuchungen durchgeführt, wobei insbesondere
aufwändige laser-optische Messverfahren zum Einsatz
kommen, die zeitlich und räumlich hochaufgelöste Informationen zu den Strömungsverhältnissen und dem
Einschlussverhalten liefern.
Fig. 45a shows a ladle in use in the shop. In the last stage
of the secondary metallurgy treatment process, the cleanliness of the melt is improved by stirring with inert gas
(cleanliness improvement stirring). Suitable strategies must
be developed in order to remove undesirable non-metallic
inclusions from the steel melt. In addition to measurements taken on industrial equipment, BFI also undertakes
experimental model studies and numerical computations.
In order to map the situation in industrial practice
as realistically as possible, numerical models are developed at BFI. The stirring process is studied systematically, taking into account the actual ladle geometry and
temperature-dependent material data of the melt and
refractory lining materials, and especially the behaviour
of the different inclusion populations. Fig. 45b shows a
numerical grid generated for simulation of this kind. The
number and position of the stirring plugs and the stirring
rate can be varied in these computations to simulate the
different operating conditions. When performing the
computations for the multiphase flow conditions (melt /
gas bubbles / inclusions), the numerical simulations also
focus especially on the agglomeration of non-metallic
inclusions and the real behaviour of gas bubbles in the
melt. Fig. 45c shows a numerically computed velocity
field for centric stirring. Fig. 45d illustrates in a colour
raster plot the number of collisions as a measure of the
collision probability of inclusions suspended in the melt.
In order to identify further relationships between the
stirring process and cleanliness and to validate the numerical results, physical model studies are conducted as well. In
particular, these involve complex laser-optical measuring
techniques which supply high-resolution temporal and spatial information on flow patterns and inclusion behaviour.
Using the results of these studies it is possible to draw up
concrete strategies and operating windows for the stirring
45 Strömungsuntersuchungen zum Reinheitsgradspülen
a) Pfanne im Betrieb, b) Numerisches Rechengitter, c) Numerisch berechnetes Geschwindigkeitsfeld im Längsschnitt der Pfanne
d) Numerisch berechnete Kollisionswahrscheinlichkeit nichtmetallischer Einschlüs-se im Längsschnitt der Pfanne
Flow studies in cleanliness improvement stirring
a) Ladle in operation, b) Numerical grid, c) Numerically calculated velocity field in a longitudinal ladle cross-section, d) Numerically calculated collision probability of non-metallic inclusions in the longitudinal ladle cross-section
69
Aus den Ergebnissen der Untersuchungen können konkrete Strategien und Betriebsfenster für die Spülparameter
des Reinheitsgradspülens abgeleitet werden, die eine verbesserte Einschlussabscheidung ermöglichen.
Parallel dazu wurde ein prozessstufen-übergreifendes
Modell zur online Vorhersage des Reinheitsgrads entwickelt. Bild 46 zeigt schematisch die Funktionsweise des
Modells. Auf der Basis der relevanten Prozess- und Messdaten der gesamten sekundärmetallurgischen Behandlung,
beginnend mit dem Abstich des Primäraggregats, wird zu
Beginn des Reinheitsgradspülen eine modellbasierte Abschätzung des bis dahin erreichten Reinheitsgradniveaus
durchgeführt. Daraus werden Vorgaben für erforderliche
Dauer und Spülintensität zur optimalen Einschlussabscheidung abgeleitet. Mit Hilfe einer betrieblichen Überwachung
über ein Kamerasystem mit nachgeschalteter Bildverarbeitung kann über die gesamte abschließende Spülbehandlung hinweg eine optimale Spülintensität sichergestellt
werden. Insgesamt soll so eine weitere Verbesserung der
Produktqualität gewährleistet werden.
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parameters in cleanliness improvement stirring, which
enable a better separation of inclusions.
Parallel to this, a through-process model was developed
for online prediction of cleanliness. Fig. 46 shows an outline of the function principle of this model. At the beginning of cleanliness improvement stirring, a model-based
estimation of the cleanliness level achieved up to that point
is performed using the relevant process and measuring data
of the entire upstream secondary metallurgy treatment,
beginning with tapping of the primary steelmaking plant.
This results in proposals for the necessary duration and
intensity of stirring for optimal separation of inclusions.
On-site monitoring by means of a camera system with
attached image processing makes it possible to ensure optimal stirring intensity throughout the following stirring
treatment. All of these different measures are aimed at a
further improvement of product quality.
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Effizienzsteigerung von Entstaubungsanlagen
Improving the efficiency of dedusting systems
In vielen Prozessstufen der Stahlerzeugung und –weiterverarbeitung müssen staubbeladene Gase erfasst und gereinigt werden. Für den Wirkungsgrad von Absauganlagen
und Staubabscheidern sind die Strömungsverhältnisse von
entscheidender Bedeutung. Hier liefert die Kombination
von Betriebsmessungen mit Modellversuchen sowie Simulationsrechnungen wichtige Erkenntnisse und Entscheidungshilfen, bestehende Anlagen geeignet zu optimieren
bzw. für geplante Anlagen bereits im Vorfeld funktionsoptimierte wirtschaftliche Konzepte zu erarbeiten.
Many stages in steelmaking and downstream processing
require the capture and cleaning of dust-laden gases. The
efficiency of extraction and dust separator systems depends,
first and foremost, on the underlying flow conditions. In
this respect, a combination of operating trials and model
tests, supported by numerical simulations, can provide
important insights and decision-making aids when it comes
to upgrading existing equipment or to developing functionally optimised and cost-efficient solutions for planned
new installations.
46 Funktionsweise des online-Modells zur Reinheitsgradvorhersage
Function principle of the online model for cleanliness prediction
70
Das BFI befasste sich unter anderem auch mit der Entstaubung mehrerer Aggregate einer geplanten Stranggießanlage. So wurde ein Lüftungskonzept überprüft und die
Erfassung von Stäuben und Dämpfen, die bei dem Durchtrennen der Stränge oder beim Entfernen des Reststahlbären
aus Verteilern entstehen, durch numerische Simulation
optimiert.
Numerische Simulationsrechnungen und Versuche an
einem physikalischen Modell wurden zur Optimierung
einer Gießhallenentstaubungsanlage eines Hochofens im
europäischen Ausland eingesetzt. Betriebsbeobachtungen
vor Ort dienten zur Aufnahme des Ist-Zustands und zur Bestimmung der Randbedingungen. Insbesondere wurde eine
Messmethode angewendet (Structural Particle-Image-Velocimetry), die es erlaubt, den Volumenstrom von Rauch im
Betrieb zu quantifizieren. Bild 47 zeigt das mit diesem
Bildanalyseverfahren bestimmte Strömungsfeld in der
Rauchwolke oberhalb der Hauptrinne.
Among other topics, BFI has been looking into the dedusting of several different units in a planned continuous
casting plant. A ventilation concept was verified, and the
capture of dusts and vapours generated during cutting of
the strands or removal of tundish skulls was optimised
through numerical simulation.
Numerical simulations and studies on a physical model
helped to optimise the cast house dedusting system on a
blast furnace at a European location. On-site observations
of operations served to record the as-is situation and determine the boundary conditions. A special measuring
method (structural particle image velocimetry) was used,
making it possible to quantify the flow rates of fumes during industrial operations. Fig. 47 shows the flow velocity
field in the fume/dust cloud above the main trough, as
detected with this image analysis technique.
sigurd.roedl@bfi.de
sigurd.roedl@bfi.de
47 Rauchentwicklung beim Abstich und ermitteltes Geschwindigkeitsfeld
Fume propagation during tapping and the determined velocity field
71
Prozesstechnik
Urform- und Umformtechnik
Process
Primary Forming and Forming Technology
Untersuchungen zur mechanischen und
thermischen Belastung der Strangschale beim
Stranggießen
Strömungstechnische Optimierung von Primärund Sekundärkühlung zur Qualitätsverbesserung
von Stranggussprodukten
Studies of mechanical and thermal loads on the
strand shell during continuous casting
73
continuously cast products
74
Optimierung von Strömung und Erstarrung beim
Blockgießen
Optimisation of flow conditions and solidification
in ingot casting
76
Strömungstechnische Optimierung des Bandgießverfahrens zur Herstellung innovativer Werkstoffe
Otimisation of flow conditions for continuous
strip casting to produce innovative materials
77
Steigerung der Performance von Breitbandwalzwerken durch innovativen Schmiermitteleinsatz in der Fertiggstrasse
mills through use of innovative lubricants in the
finishing mill
79
Virtuelles Warmwarmwalzen von Breitband
Virtual strip rolling mill
80
durch Einsatz innovativer Beschichtungssysteme
Verbesserung der Innenoberfläche nahtloser
Rohre durch optimierte, vorausschauende
Dornstangenhandhabung und durch
Überwachung des Stoßbankprozesses.
Warmprofilwalzen zur Verschleißminderung und
Verbesserung der Oberflächenqualität und Maßhaltigkeit warmgewalzter Profile
Increased thermal and mechanical wear resistance of work rolls in hot section mills through use
of innovative coating systems
81
Improvement of the inner surfaces of seamless
tubes through optimised, proactive mandrel handling and monitoring of the push-bench process
82
Application of micro cold forging to work rolls for
section rolling to reduce wear and improve the
surface quality and the dimensional tolerances of
hot rolled products
83
Untersuchungen zur mechanischen und
thermischen Belastung der Strangschale beim
Stranggießen
Während des Stranggießens wird der Strang verschiedenen mechanischen und thermischen Belastungen unterzogen, die im ungünstigen Fall zu Qualitätseinbußen führen
können. Dabei ist zu berücksichtigen, dass die ablaufenden
physikalischen Vorgänge gleichzeitig auftreten, was eine
umfassende Untersuchung äußerst schwierig macht. So
bestehen gegenseitige Wechselwirkungen beispielsweise
zwischen der Strömung der Stahlschmelze, der Wärmeübertragung und damit der Erstarrung, der Gefügeausbildung, Schrumpfung des Stahls bei Abkühlung und mechanischen Einflüssen wie der Strangführung durch die
Studies of mechanical and thermal loads on the
strand shell during continuous casting
During continuous casting the strand is subjected to
various mechanical and thermal loads which, in the worst
case, can lead to a loss of quality. It should be remembered
that the arising physical processes occur simultaneously,
making it extremely difficult to study all of the phenomena
comprehensively. For example, there are mutually influencing effects between the flow conditions of the steel melt,
the heat transfer and hence solidification, the formation
of microstructure, shrinkage of the steel during cooling,
and mechanical effects, such as the guidance of the strand
through rolls. Any optimisation of the continuous casting
process should therefore take as many of these influencing
48 a) Betriebliche Stranggießanlage, b) Entwicklung eines Spalts zwischen Kokille und Strang, c) Ausbauchen des Strangs zwischen den
Rollen
a) Industrial continuous casting plant, b) Formation of a gap between mould and strand, c) Bulging of strand between the rolls
73
Urform- und Umformtechnik · Primary Forming and Forming Technology
Rollen. Eine Optimierung des Stranggussprozesses sollte
demnach immer möglichst viele dieser Einflussfaktoren
berücksichtigen, um die Produktqualität und die Ausbringung zu erhöhen. Das BFI hat sich zum Ziel gesetzt, ein
numerisches Modell zu entwickeln, das möglichst viele
der verschiedenen physikalischen Vorgänge in ihrem simultanen Ablauf berücksichtigt und so den Prozess so
realitätsnah wie möglich abbildet.
Die wesentliche Idee, die dem entwickelten numerischen
Modell zugrunde liegt, ist die Kopplung von CFD- (Computational Fluid Dynamics) und FEM-(Finite Element Methode) Simulationsrechnungen. Dadurch können sowohl
die Strömung der Stahlschmelze, die Wärmeübertragung
und Erstarrung (CFD) als auch die mechanische Belastung
sowie die Schrumpfung des Strangs bei Abkühlung und
die damit einhergehenden Spannungen (FEM) berücksichtigt werden. Die zur Kopplung erforderliche Schnittstelle
wurde vom BFI entwickelt. Eine gezielte Anpassung an
unterschiedliche Anwendungsfälle ist jederzeit möglich.
Bild 48a zeigt einen Abschnitt einer betrieblichen Knüppelstranggießanlage. Bild 48b zeigt beispielhaft in einem
Teilabschnitt eines Querschnitts durch die Strangschale
die Ausbildung eines Spalts zwischen dem Strang und der
Kokillenwand. Die Auswirkung dieses Spalts auf die Wärmeübertragung in der Kokille wird im numerischen Modell
ebenfalls berücksichtigt. Bild 48c zeigt die Verformung
der Strangoberfläche, d.h. das Ausbauchen, hervorgerufen
durch den ferrostatischen Druck, der auf die Innenfläche
des erstarrenden Strangs wirkt. Die mit dem Strang interagierenden Rollen und die Kokille sind hier vereinfacht grau
unterlegt dargestellt.
Mit dem am BFI entwickelten Modell kann, basierend auf
einer umfangreichen Materialdatenbank, die thermische
und mechanische Belastung über die gesamte Stranglänge
ermittelt werden. Durch Variation verschiedener Gießparameter wie Gießgeschwindigkeit, Kühlbedingungen oder
auch Stahlgüten können so für die Rissbildung kritische
Bedingungen ermittelt werden. So konnte z.B. der negative
Einfluss asymmetrischer Kühlbedingungen in der Kokille
auf die Spannungsverteilung im Strang gezeigt und eine
verbesserte Vorgehensweise durch optimierte konstruktive
und verfahrenstechnische Maßnahmen abgeleitet werden.
Die am BFI vorhandenen Simulationsmethoden helfen gezielt die Ausbringung zu erhöhen und die Produktqualität
weiter zu verbessern.
sigurd.roedl@bfi.de
factors into consideration in order to enhance product
quality and increase the yield. BFI has set itself the goal
of developing a numerical model that covers as many as
possible of the different physical processes as they progress
simultaneously in order to simulate the overall process as
realistically as possible.
The main idea underlying the numerical model is the
coupling of CFD (computational fluid dynamics) and FEM
(finite element method) numerical simulations. This makes
it possible to consider the flow conditions in the steel melt
and heat transfer and solidification (CFD) alongside the
mechanical load and shrinkage of the strand during cooling and the related stresses (FEM). The interface required
for coupling these methods was developed by BFI. Targeted adaptation to different application cases is possible
at any time. Fig. 48a shows a section of an operational
continuous billet casting plant. Fig. 48b shows a partial
cross-section of the strand shell, providing an example of
the formation of a gap between the strand and the mould
wall. The effects of this gap on the heat transfer in the
mould are also considered in the numerical model. Fig. 48c shows the deformation of the strand surface, in this case
bulging, caused by the ferrostatic pressure acting on the
inside surface of the solidifying strand shell. For reasons
of simplification, the rolls and mould interacting with the
strand are shaded in grey.
With the model developed at BFI and using an extensive
material database, the thermal and mechanical load over
the entire strand length can be determined. By varying
various casting parameters, such as casting speed, cooling
conditions or steel grades, it is possible to identify the
critical conditions for crack formation. For example, the
negative influence of asymmetrical cooling conditions in
the mould on the stress distribution across the strand was
revealed. This made it possible to propose improvements
through design and process measures. The simulation
methods in place at BFI help to achieve focused increases
in yield and enhance product quality still further.
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Strömungstechnische Optimierung von
Primär- und Sekundärkühlung zur
Qualitätsverbesserung von Stranggussprodukten
continuously cast products
Wesentliche Eigenschaften der beim Stranggießen produzierten Stähle werden stark durch die Primärkühlung in
der Kokille und die Sekundärkühlung beeinflusst. Insbesondere die starke Kühlung in der Kokille mit den entsprechend
großen Temperaturgradienten im Strang wird als kritisch
The main properties of steels produced by continuous
casting are heavily influenced by the primary cooling in
the mould and the secondarty cooling phase. The rapid cooling rate in the mould with correspondingly steep
temperature gradients in the strand is considered to be
74
im Hinblick auf die Ausbildung von Oberflächenrissen
eingestuft. Daneben sind auch die sorgfältige Auslegung
und der sichere Betrieb der Spritzkühlung in der Sekundärkühlzone wesentlich für die Gewährleistung einer hohen
Produktqualität. Hier ist es besonders wichtig, eine starke
lokale Abkühlung oder eine stark asymmetrische Kühlung
zu vermeiden. Zur Erarbeitung konstruktiver und verfahrenstechnischer Maßnahmen für optimierte Kühlstrategien
setzt das BFI komplexe numerische Simulationsmethoden
in Kombination mit innovativen online Messverfahren ein
und entwickelt diese gezielt weiter.
critical with respect to the formation of surface cracks. In
addition to this, careful design and reliable operation of
the spray cooling system in the secondary cooling zone
is essential for ensuring high product quality. It is especially important here to avoid excessive local cooling or
pronounced asymmetrical cooling. To develop the design
and process measures for optimised cooling strategies, BFI
uses complex numerical simulation methods in combination with innovative online measuring techniques which
it also continues to refine.
Für die Primärkühlung in der Kokille wurde das numerische Modell so angepasst, dass die der Stahlschmelze über
die Kokillenwand entzogene Wärme lokal fein aufgelöst
werden kann. Dadurch können lokale Maxima der Wärmestromdichte gut abgebildet werden, z.B. am Meniskus oder
an den Kokillenwänden, wo die Schmelzenstrahlen aus dem
Tauchrohr auftreffen. Bild 49 zeigt eine entsprechende
Verteilung der Wärmestromdichte in einer Knüppelkokille
mit Mehrlochtauchrohr. Die entsprechenden Maxima am
Meniskus und an den Kokillenwänden sind deutlich zu
erkennen. Die numerische Simulation der Spritzkühlung
ist ein weiterer wichtiger Bestandteil des am BFI weiterentwickelten numerischen Modells. Bild 50 zeigt die numerisch berechnete Verteilung der Wärmestromdichte in der
Sekundärkühlzone. Deutlich sichtbar ist im oberen Bereich
die Intensivierung der Strangkühlung durch eine Überlappung der Kühlzonen. Ebenfalls abgebildet werden die
vergleichsweise niedrigen Temperaturen an den Kanten des
Strangs. Neben dem gezeigten kreisförmigen Querschnitt
des Spritzkegels können auch weitere Formen realisiert
werden, z.B. elliptische oder rechtwinklige Querschnitte.
For primary cooling in the mould, the numerical model was adapted in such a way that the heat withdrawn
from the steel melt via the mould wall can be finely
resolved locally. This allows good mapping of local maximum values of heat flux density, such as at the meniscus
or at the points where the melt jets from the submerged
entry nozzle impinge on the mould walls. Fig. 49 shows
a corresponding distribution of the heat flux density in a
billet mould with a multi-hole submerged entry nozzle.
The maxima at the meniscus and at the mould walls
are easily recognisable. The numerical simulation of the
spray cooling process is another important part of the
numerical model that has been further developed at BFI.
Fig. 50 shows the numerically calculated distribution
of the heat flux density in the secondary cooling zone.
Clearly visible in the upper region is the intensification
of strand cooling due to an overlap of the cooling zones.
Also shown are the relatively low temperatures at the
strand edges. Besides the shown circular cross-section
of the spray cone, it is also possible to achieve other
shapes, such as elliptical or rectangular cross-sections.
49 50 Verteilung der Wärmestromdichte in einer Knüppelkokille mit
Mehrloch-Tauchrohr
Verteilung der Wärmestromdichte auf der Strangoberfläche in der
Sekundärkühlzone
Distribution of heat flux density in a billet mould with multi-hole
submerged entry nozzle
Distribution of heat flux density over the strand surface in the secondary cooling zone
75
Wichtige Zielsetzung der numerischen Simulationsrechnungen ist die Untersuchung zeitabhängiger Veränderungen der Kühlbedingungen, z.B. die Anpassung des Kühlwasser Massenstroms in der Kokille oder der Ausfall einer
oder mehrerer Spritzdüsen in der Sekundärkühlzone. Berechnete Temperaturen konnten validiert werden. Hierzu
wurden vom BFI Messungen der Oberflächentemperatur des
Strangs durchgeführt. Dabei werden neuartige Pyrometer
eingesetzt, die direkt unterhalb der Kokille beginnend entlang der gesamten Stranglänge positioniert werden können.
Die eingesetzten Methoden liefern detaillierte Informationen zu den thermischen und mechanischen Abläufen
beim Stranggießen, z.B. liefern sie Hinweise auf mögliche
Ursachen für die Entstehung von Oberflächenrissen. Sie
helfen damit, den Gießprozess hinsichtlich Ausbringung
und Produktqualität zu optimieren und einen sicheren
betrieblichen Ablauf zu gewährleisten.
An important aim of the numerical simulations is the
study of time-dependent changes in the cooling conditions,
e.g. adaptation of the cooling water mass flow in the mould
or the failure of one or several spray nozzles in the secondary cooling zone. Calculated temperatures have been
validated. To do this, BFI took a series of measurements of
the surface temperature of the strand. This was performed
using innovative new pyrometers which can be positioned
along the entire strand length, beginning directly below the
mould. The methods used supply detailed information on
the thermal and mechanical processes taking place during
continuous casting and can offer pointers to the possible
causes for the formation of surface cracks, for instance.
They thus help to optimise the casting process in terms of
yield and product quality and to assure the reliability of
the industrial operations.
sigurd.roedl@bfi.de
sigurd.roedl@bfi.de
Optimierung von Strömung und Erstarrung
beim Blockgießen
Optimisation of flow conditions and
solidification in ingot casting
Beim steigenden Guss wird die Kokille über ein spezielles
Eingießsystem von unten mit Schmelze beschickt. Eine
wichtige Fragestellung ist, inwieweit die Strömungsverhältnisse Auswirkungen auf den Reinheitsgrad des erstarrten
Endproduktes haben und wie diese gegebenenfalls hinsichtlich des Reinheitsgrades verbessert werden können. Zur
grundlegenden Untersuchungen dieser Thematik wurden
Simulationsrechnungen und Versuche an physikalischen
Modellen durchgeführt, um mögliche konstruktive Maßnahmen hinsichtlich einer Verbesserung des Strömungsver-
In the bottom pouring method, the melt is poured into
the mould from below via a special feeding system. One
important question here is to what extent the flow conditions affect the cleanliness of the solidified product and
how, if possible, they could be improved to achieve better
cleanliness. To investigate the fundamentals of this topic,
numerical simulations and tests with physical models were
conducted in order to identify any design measures that
would help to improve the flow behaviour. The feeding
system was modified such that the jet of hot metal entering
a)
b)
c)
51 Strömungsfeld in der Symmetrieebene der Kokille
a) sichtbargemachte Strömung im physikalischen Modell
b) gemessenes Strömungsfeld
c) berechnetes Temperaturfeld in der Originalkokille
Flow velocity field in the symmetry plane of the mould
a) Flow patterns made visible in the physical model
b) Measured flow velocity field
c) Computed temperature field in the original mould
76
haltens zu erarbeiten. Das Eingießsystem wurde dabei so
modifiziert, dass der während des Füllvorgangs eintretende
Strahl stabil im Bereich der Kokillenachse verbleibt. Außerdem darf der Impuls der eintretenden Schmelze nicht
so stark sein, dass Gießpulver eingezogen werden kann.
Zur quantitativen Erfassung der strömungstechnischen
Vorgänge wurde als Methode der Geschwindigkeitsmessung
die Particle-Image-Velocimetry (PIV) angewendet. Dieses
Verfahren ist ein berührungsloses optisches Verfahren zur
Bestimmung von Geschwindigkeitsfeldern.
Bild 51a zeigt das sichtbargemachte Strömungsfeld in
der Symmetrieebene der Kokille mit bereits optimiertem
Eingießsystem beim Füllvorgang. Es stellt sich das gewünschte symmetrische Strömungsfeld ein. In Bild 51b ist zum Vergleich das gemessene Strömungsfeld für die
gleiche Füllhöhe dargestellt.
Nach der Validierung der Simulationsmethode durch
den Vergleich von gemessenem und berechnetem Strömungsfeld wurde die numerische Berechnung instationär für den gesamten Zeitraum vom Füllen bis zur vollständigen Erstarrung des Originalblocks durchgeführt.
Hierbei können nun auch Temperaturverhältnisse und
die realen temperaturabhängigen Stoffwerte und Konvektionseffekte berücksichtigt werden. Bild 51c zeigt ein
berechnetes Temperaturfeld für die Originalkokille. Das
für diesen Anwendungsfall modifizierte CFD-Programm
hat den Vorteil gegenüber kommerziellen auf Gießen
und Erstarren spezialisierten Programmen, dass auch
die Bewegung, Agglomeration und Abscheidung von
Einschlüssen simuliert werden können.
during the filling process remains stable in the region of
the mould axis. Besides this, the momentum generated
by the inflowing melt must not be so strong that it will
entrain casting powder with it.
The technique chosen to record the quantitative aspects
of the flow processes was particle image velocimetry (PIV).
This is a contactless optical method for determining velocity fields.
Fig. 51a shows the flow velocity field that has been made
visible in the symmetry plane of the mould during casting
with the already optimised feeding system. The desired
symmetrical flow field is indeed generated. For comparison, Fig. 51b shows the measured flow velocity field for
the same filling height.
After validation of the simulation method by comparing
the measured and computed flow velocity field, the numerical calculation was performed in the non-steady-state for
the entire time period from filling through to complete solidification of the original ingot. This now allowed the temperature relationships and the real temperature-dependent
substance values and convection effects to be taken into
account as well. Fig. 51c shows a calculated temperature
field for the original mould. Unlike commercially available
programs focusing on casting and solidification, the CFD
program that was modified for this application case has
the advantage that it also permits simulation of motion,
agglomeration and separation of inclusions.
sigurd.roedl@bfi.de
sigurd.roedl@bfi.de
Strömungstechnische Optimierung des
Bandgießverfahrens zur Herstellung innovativer
Werkstoffe
Flow optimisation of continuous strip casting to
produce innovative materials
Heute übliche Stahlgüten für Klingen und andere
Schneidwaren sind in ihren mechanischen Eigenschaften begrenzt. Leistungsfähigere Legierungen mit größerer Schneidhaltigkeit sind möglich, mit herkömmlichen
Mitteln, aber nicht wirtschaftlich herzustellen. Begrenzender Faktor ist daher neben dem Material auch dessen
Herstellungsroute. In einer Gemeinschaftsforschung hat
sich das BFI gemeinsam mit Partnern aus der Industrie
und der Forschung zum Ziel gesetzt, diese Limitierungen
zu überwinden, die erzielbaren Materialeigenschaften
deutlich zu verbessern und das innovative Bandgießverfahren zur Herstellung dieser neuartigen Stahlgüten weiterzuentwickeln. Beim Bandgießen nach dem
Zwei-Rollen-Verfahren fließt die Schmelze zwischen
zwei gegenläufig rotierende gekühlte Rollen und erstarrt zu einem Band. Im BFI wurde eine Modellversuchsanlage zur Simulation des Bandgießprozesses im
Maßstab 1:1 aufgebaut. Wie im realen Prozess drehen
sich im Modell die Rollen, so dass sich die physikalischen
The steel grades commonly used today for knife blades
and other cutting tools have limited mechanical properties. Other alloys with better edge-holding ability do
exist and can be produced by conventional means, but
not economically. The limiting factor here is not only
the material but the route by which it is produced. In
a collaborative research project, BFI and partners from
industry and research have set themselves the goal of
overcoming these limitations, considerably improving
the attainable material properties and developing the
innovative strip casting process further to produce these
new steel grades. In twin roll strip casting, the melt flows
between two counter-rotating, chilled rolls and solidifies
to a thin strip. A full scale model test facility was built at
BFI for the purpose of simulating the strip casting process.
As in the real process, the rolls also rotate in the model so
that the physical processes can be simulated realistically.
This model test facility is the only one of its kind in the
world. Fig. 52 shows the model setup.
77
Vorgänge realitätsnah simulieren lassen. Eine derartige
Versuchsanlage ist weltweit einmalig. Bild 52 zeigt den
Modellauf bau.
Zur Optimierung der für den Prozessablauf beim Bandgießen wichtigen Inertisierung fand die Berechnung von
Strömungs- und Konzentrationsfeld in Teilbereichen der
Bandgießanlage mit einem Computational-Fluid-Dynamics
(CFD)-Rechenprogramm statt. Maßnahmen für eine maximale Effizienz der Inertisierung konnten erarbeitet werden.
Im Hinblick auf die Strömungs- und Erstarrungsverhältnisse der Schmelze wurden weitere numerische Simulationsrechnungen sowie experimentelle Untersuchungen an
einem physikalischen Modell durchgeführt. Unter anderem
wurde der Einfluss der Gießleistung, der Einbauposition
des Tauchrohrkopfes und des Füllstands im Pool auf das
Strömungsfeld und die Oberflächenbewegung untersucht
und die optimalen Einstellparameter ermittelt.
To optimise the inertisation which is important for the
strip casting process, the flow and concentration field in
sub-areas of the strip casting facility were calculated using
a computational fluid dynamics (CFD) program. Measures
for maximising the efficiency of inertisation were developed. Regarding the flow and solidification relationships
in the melt, additional numerical simulation computations were performed and experimental studies carried out
on a physical model. Among other aspects, the influence
of the casting rate, the location of the submerged entry
nozzle and the filling level in the pool on the flow field
and surface movement were investigated and the optimal
settings defined.
Several martensitic steel grades have now been successfully cast on the strip casting facility. Comprehensive
strategies for optimising the product quality and stabilising
the process have been developed.
Auf der Bandgießanlage konnten bereits mehrere martensitische Stahlgüten erfolgreich vergossen werden. Umfassende Konzepte zur Optimierung der Produktqualität
und zur Stabilisierung des Prozesses wurden erarbeitet.
sigurd.roedl@bfi.de
sigurd.roedl@bfi.de
52 Modellaufbau zur Simulation des Bandgießens
Model setup for simulating strip casting
78
Steigerung der Performance von
Breitbandwalzwerken durch innovativen
Schmiermitteleinsatz in der Fertiggstrasse
mills through use of innovative lubricants in the
finishing mill
Das Hauptinteresse der europäischen Warmwalzwerke
ist derzeit, die Leistungsfähigkeit Ihrer Anlagen zu erhöhen,
um die neuen Hochleistungsstähle produzieren zu können,
die Prozesskosten zu reduzieren, die Produktqualität zu
verbessern und den Ressourcenverbrauch zu verringern.
Durch gezielten Schmiermitteleinsatz können die Werkzeugstandmengen erhöht, die Produktqualität verbessert,
Energie eingespart und somit die gesamten Produktionskosten vermindert werden.
The main focus today of European hot strip mills is to
increase mill capacity for the rolling of new-generation
high strength steels, to decrease production costs, to enhance product quality and to minimize the environmental
footprint. The effectiveness of the lubricant will make it
possible to extend the tool lifetime, to improve the product
quality, and to save energy in order to decrease the overall
production costs.
Ein wichtiger Schritt, diesen Herausforderungen zu begegnen, ist der Einsatz von Schmiermitteln während des
Warmwalzens in der Fertigstrasse. Die wichtigsten Ziele
dieses Forschungsprojekts sind: (I) Durch die Einführung
von innovativen Technologien für die Applikation eine
gleichmäßige Schmierfilmbildung auf der Oberfläche zu
erreichen, (II) durch den Einsatz einer variablen Schmiermittelkontrolle basierend auf einem Vorhersagemodell
die Drehmomente der oberen und unteren Spindel zu vergleichmäßigen und (III) die Leitlinien für den Produktionsbetrieb festzulegen, um die Walzperformance unter Beach-
A key parameter to meet these challenges is the application of hot rolling lubrication in the finishing mill. The
main objectives of this research project are: (I) to improve
the consistency of lubrication by introducing new technologies for plate- out efficiency, (II) to control the torque
distribution over the top and bottom spindle by the implementation of a variable lubricant control unit based on
model pre-setting, and (III) to define operator guidelines to
maximise performance taking into account overall costs
(e.g. investment, lubricant, maintenance, energy saving,
roll performance), product quality and environmental
impact.
54 53 Schmiermittel Probennahme an den Düsen im Walzgerüst
Sampling of lubricant from the nozzles in the finishing
stand
2-Zylinder-Heiß-Prüfstand (Tribotherm). Obere Rolle wird erwärmt, um
das Material zu simulieren; die untere Rolle simuliert die Arbeitswalze im
Walzgerüst.
Two cylinder test bench plant (Tribotherm). The top roll is heated to simulate the material, the lower roll simulates the work roll in the finishing
stand.
79
tung der gesamten Kosten (z.B. Investition, Schmiermittel,
Instandhaltung, Energieeinsparung, Walzen Standmenge),
einer gesteigerten Produktqualität und verringertem Umwelteinfluss zu maximieren.
Erste Arbeiten zur Charakterisierung der Produktion
und der Walzparameter hinsichtlich der eingesetzten
Schmierung sind aufgenommen worden. Definierte Probenahmen wurden in der Warmbandstraße (Fertiggerüst)
durchgeführt, um die Schmiermittelverteilung (Durchfluss,
Ölkonzentration, Druck, usw.) entlang der verschiedenen
Düsen des Sprühbalkens (Bild 53 ) zu ermitteln.
Es wurden dabei Inhomogenitäten in der Effizienz und
Wirkung der Schmierung festgestellt. Die ersten Ergebnisse
haben gezeigt, dass der Schmiermitteleinsatz im Warmwalzwerk zu einer Reduzierung des Drehmoments als
direkte Konsequenz des verminderten Reibkoeffizienten
führt. Die Verringerung der Walzkraft ist im Allgemeinen
nicht für alle Stahlgüten gleich groß und auch innerhalb
einer Stahlgüte nicht immer vergleichbar.
Um die grundlegenden Kenntnisse des Einflusses
von Schmiermittelfilmbildung, der Applikation sowie
der Schmiermitteleffizienz auf den Reibungskoeffizienten zu erweitern, werden Versuche auf einem 2-Zylinder-Heiß-Prüfstand (Tribotherm, Bild 54 ) durchgeführt.
Mittels dieses Prüfstandes werden der Oberflächenzustand
der Zylinder, die Schmiermittelleistungsfähigkeit, die Applikationsart (Düsentyp), usw. untersucht, und der Einfluss
von Schmiermittelvariationen auf die Drehmoment-Verteilung bewertet.
The initial work started by characterizing the production and mill setup in terms of the applied lubrication.
Defined sampling in the hot strip mill (finishing stand) has
been performed to evaluate the lubricant distribution (flow
rate, oil concentration, pressure, etc.) along the different
nozzles (Fig. 53 ).
Inhomogeneities in lubrication efficiency and effect have
been noted. The first results showed that the application of
lubricant in hot rolling finishing stands leads to a reduction in torque as a direct consequence of the reduction of
friction coefficient, but force reduction in general is not
equal for all steel grades or comparable even within one
steel grade.
In order to increase the fundamental understanding of
the influence of lubricant film, film formation, application
and lubricant efficiency on the friction coefficient, trials
are per-formed on a laboratory two-cylinder test bench
(Tribotherm) (Fig. 54 ). Using this equipment, the surface
state of the cylinders, the lubricant performance, the application of lubricant (nozzle type), etc are investigated
and the impact of lubricant variations on the torque distribution are studied.
Based on these results, pilot plant trials will be performed
and the development and implementation of an industrial
lubrication unit as well as a friction control model will be
directly implemented in the plant.
Basierend auf diesen Ergebnissen werden Schmierversuche in einer Pilotwarmwalzanlage durchgeführt. Anschließend erfolgt die gezielte Verbesserung der industriellen
Schmiermittelanlage sowie die Weiterentwicklung und
Implementierung eines Reibwertmodells zur Prozesssteuerung.
Virtuelles Warmwarmwalzen von Breitband
Neuartige höherfeste Werkstoffe mit stetig steigenden
Anforderungen an den Erzeugungs- wie auch den Weiterverarbeitungsprozess erfahren einen kontinuierlich
steigenden Einsatz. Die Vorherbestimmung der Materialeigenschaften am Ende eines Produktionsprozesses erfordert
langwierige und teure Versuchskampagnen. Damit ist im
Allgemeinen eine Aussage über die Einstellung optimaler
Prozessparameter nicht eingeschlossen. Daher bietet die
Entwicklung eines modelbasierten Computer-Systems, das
die Funktionalitäten der numerischen Prozess-Simulation, der Materialeigenschaftsmodellierung, der inversen
Analyse und der Verfahrensoptimierung große Vorteile
hinsichtlich einer kostenreduzierten und eigenschaftsoptimierten Verfahrensentwicklung. Das hybride Computer
System trägt dazu bei:
Due to the application of innovative materials in connection with advanced production technologies, optimization of semi-finished product and product properties
in metal forming is highly sophisticated nowadays. Prediction of material properties after rolling and cooling
usually requires expensive, lengthy experimental trials,
which do not guarantee the identification of the optimal
technological parameters. This justifies the development
of a model-based computer system uniting functionality
of numerical simulations, material modelling (metamodelling), multi scale modelling, inverse analysis and
optimization to minimize costs for the design of production technologies and to maximize semi and final
product properties.The hybrid computer system will
contribute to:
80
• Bestehende Stichpläne zu optimieren bzw. neuartige
Stichpläne mit erweiterten Produktionsmöglichkeiten
zu entwickeln bei gleichzeitig verbesserten Produkteigenschaften.
• Neuartige Walzstrategien zu entwickeln mit der Möglichkeit der Erzeugung neuartiger Werkstoffe unter
gleichzeitig verringertem Kostenauf kommen.
• Homogenere Materialeigenschaften am Ende des Produktionsprozesses zu gewährleisten durch die Möglichkeit einer verbesserten Kontrolle der Entwicklung
der Materialmikrostruktur.
• Das Risiko einer Überlastung der Walzgerüste zu
minimieren.
• Die ausserhalb der vorgegebenen Spezifikation befindliche Produktionsmenge zu minimieren.
• Die Kosten für die Zugabe an Legierungselementen
durch ihren effizienteren Einsatz zu begrenzen.
• Optimisation of existing and development of new
rolling schedules leading to new process capabilities
and improved products for automotive, construction
and energy applications.
• The development of new rolling routes enabling the
production of new grades with better consistency and
reproducible mechanical properties at low costs.
• Reduced inhomogeneity of final properties by improved control of the microstructural evolution of
materials.
• Minimizing the risk of overloading mill stands.
• Minimisation of production out of specification.
• Savings in alloy costs through a more efficient use
of microalloying additions to achieve the required
metallurgical effect.
durch Einsatz innovativer Beschichtungssysteme
Increased thermal and mechanical wear
resistance of work rolls in hot section mills
through use of innovative coating systems
Beim Warmwalzen von Profilen sind Walzen hohen thermischen und mechanischen Belastungen ausgesetzt. Besonders
in Kaliberbereichen mit höheren Umformgraden kommt es
zu starkem mechanischen Abrieb und Oberflächenzerrüttung
und damit zu Qualitätsminderung und Toleranzabweichungen bei den Profilen. Zusätzlich zu der mechanischen Belastung erhöhen die hohen Temperaturen die Reaktivität der
Werkzeugoberflächen, was vermehrt zu Materialanhaftungen
in Folge von Adhäsion führt. Daraus resultieren häufigere
Walzenwechsel, wodurch Rüstzeiten bzw. Stillstandszeiten
und Werkzeugkosten deutlich erhöht werden.
During the hot rolling of sections, the rolls are exposed to
high thermal and mechanical loading. Strong mechanical
abrasion and surface degradation are especially pronounced
in the roll groove zones with high reduction ratios, which
results in poorer quality and out-of-tolerance conditions
in the rolled sections. In addition to the mechanical loads,
the high temperatures increase the reactivity of the tool
surfaces, causing material deposits due to adhesion. This
results in more frequent roll changes, with significantly
longer set-up and downtimes and a significant increase
in tooling costs.
55 56 Beschichteter Ring nach Abschluss des Vernickelungsprozesses
Zustand der Beschichtung nach Abschluss der Walzung (72t)
Coated ring after completion of nickel-coating process
Condition of coating after completion of rolling (72 t)
81
Zur Verbesserung der Walzenstandmengen werden in
einem internationalen Forschungsprojekt innovative Beschichtungssysteme erstmalig für den Einsatz beim Warmprofilwalzen untersucht und weiterentwickelt. Das Ziel
sind Oberflächenbeschichtungen, die den abrasiven und
adhäsiven Verschleiß verringern. Folgende Beschichtungssysteme werden im Rahmen dieses Forschungsprojektes
untersucht:
• PVD-Schichten (Physical Vapour Deposition),
• Keramische Schichten,
• Hochgeschwindigkeits- und Kaltspritzschichten sowie
• Galvanische Dispersionsschichten.
With a view to improving the tool life of the rolls, an
international research project is for the first time investigating innovative coating systems as to their use in hot
section rolling mills and developing them further. The
objective is to create surface coatings that reduce abrasive
and adhesive wear. The coating systems being studied in
this research project are
Das BFI hat bestehende Dispersionsbeschichtungen auf
deren Eignung für die Bedingungen beim Warmwalzen von
Profilen in Labor- und Pilotversuchen getestet und erfolgreich weiterentwickelt. In ersten industriellen Versuchen
konnte beim Einsatz von Chemisch Nickel-Dispersionsbeschichtungen auf profilierten Ringen zur Herstellung von
Schlagleisten, Bild 55 , eine Steigerung der durchschnittlichen Standmenge von 80% erreicht werden, Bild 56 . Die
Wirtschaftlichkeit des Verfahrens ist für die gegebenen
Bauteilgeometrien und den erzielten Leistungssteigerungen
bereits nachgewiesen und weiteres Steigerungspotential
ist vorhanden.
BFI has conducted lab tests and pilot trials on existing dispersion coatings to study their suitability for the conditions
prevailing in hot rolling of sections and has successfully
further developed the coating systems. In the first industrial trials, the use of galvanic nickel dispersion coatings
on profiled rings for producing baffles, Fig. 55 , achieved
an increase in the average tool life of 80%, Fig. 56 . The
efficiency of the process has already been demonstrated
for the given component geometries and performance increases, and further potential for improvement has been
identified.
•
•
•
•
PVD coatings (physical vapour deposition),
ceramic coatings,
high-speed and cold-spray coatings, and
galvanic dispersion coatings.
Verbesserung der Innenoberfläche nahtloser
Rohre durch optimierte, vorausschauende
Dornstangenhandhabung und durch
Überwachung des Stoßbankprozesses.
Improvement of the inner surfaces of seamless
tubes through optimised, proactive mandrel
handling and monitoring of the push-bench
process.
Ziel des Projektes ist die Entwicklung eines Systems zur
Prognose des geeigneten Zeitpunktes zum Auswechseln der
Dornstange. Dieses System basiert auf dem Zusammenhang
zwischen aktuellen Dornstangeneigenschaften und resul-
The aim of the project is the development of a system for predicting a suitable time-point for changing
the mandrel. This system is based on the relationship
between the mandrel characteristics at any one time
57 Beispielhafter Herstellungsprozess nahtloser Rohre
Manufacturing process for seamless tubes (schematic representation)
82
tierenden Oberflächendefekten auf der Innenoberfläche
nahtloser Rohre.
and resulting surface defects on the inside surfaces of
seamless steel tubes.
Darüber hinaus soll die Leistungsfähigkeit (Lebensdauer,
Ausbringung) von Dornstangen durch eine Verbesserung
von Dornstangenwerkstoff und Schmierung gesteigert
werden. Hier konnte durch die Weiterentwicklung des
Werkstoffes eine Verbesserung bei relevanten Materialeigenschaften um ca. 40% erreicht werden.
Furthermore, the performance capability (life, yield) of
mandrels is to be enhanced by improving the mandrel
material and the lubrication. Here, further development
of the material has already brought an improvement of
about 40% in the relevant material properties.
Zur Erfassung von wesentlichen Prozessparametern werden Messsysteme zur Erfassung der Dornstangenkraft als
auch der Dornstangenoberfläche am BFI entwickelt und in
Betrieb genommen. Des Weiteren wird das Ultraschall-Messsystem, genutzt zur Erfassung von Oberflächendefekten
auf der Innenoberfläche nahtloser Rohre, optimiert.
Messtechnische Kampagnen liefern die Daten der Oberflächeneigenschaften der Dornstange, der Innenoberfläche
der Rohre und relevante Prozessparameter. Aus den gewonnenen Daten werden mit Hilfe von Korrelationsanalysen
Zusammenhänge abgeleitet. Die Ergebnisse fließen in die
Entwicklung und Validierung eines hybriden Modells, bestehend aus einem vereinfachten FEM-Modell und dem
Korrelationsmodell zur Prognose von Rohrdefekten. Tests
zeigen eine gute Übereinstimmung der Modellvorhersagen
mit der Realität.
Dieses Modell, integriert in ein Prozess-Überwachungssystem, kann zur Steuerung des Stoßbankprozesses dienen
sowie den geeigneten Zeitpunkt zum Auswechseln der
Dornstange prognostizieren.
To record key process parameters, measuring systems
are being developed and put into operation at BFI to register the mandrel force and record its surface condition.
Furthermore, the ultrasonic measuring system used to
detect surface defects on the inside of seamless tubes is
being optimised.
Measurement campaigns supply the data for the surface
properties of the mandrel, the inner surfaces of the tubes,
and the relevant process parameters. Relationships will be
derived from this data by means of correlation analyses.
The results will be used to develop and validate a hybrid
model consisting of a simplified FEM model and a correlation model to predict tube defects. Tests have shown
a good degree of correlation between model predictions
and reality.
When integrated in a process monitoring system, this
model can help to control the push-bench process and
predict the appropriate time to change the mandrel.
Warmprofilwalzen zur Verschleißminderung
und Verbesserung der Oberflächenqualität und
Maßhaltigkeit warmgewalzter Profile
Application of micro cold forging to work rolls
for section rolling to reduce wear and improve
the surface quality and dimensional tolerances
of hot rolled products
Beim Warmwalzen von Profilen kommt es aufgrund
der thermischen und mechanischen Belastung partiell zu
hohen Verschleißraten. Besonders in Kaliberbereichen mit
höheren Umformgraden kommt es zu starkem mechanischen Abrieb und erhöhter Oberflächenzerrüttung. Dies
führt zu verminderter Oberflächenqualität und Toleranzabweichungen bei den Profilen. Daraus resultieren vermehrte
Kaliber- und Walzenwechsel, wodurch sich die Rüstzeiten
erhöhen und die Produktionsauslastung sinkt.
During the hot rolling of sections, thermal and mechanical loading can lead to higher wear rates in some areas.
Strong mechanical abrasion and surface degradation are
especially pronounced in the roll groove zones with high
reduction ratios, which results in poorer surface quality
and out-of-tolerance conditions in the rolled sections. This
results in more frequent changes of grooves and rolls, with
longer set-up times and a drop in production capacity utilisation.
Das Ziel des laufenden Projektes ist die erstmalige Anwendung des Mikro-Kalt-Schmiedens an Warmprofilwalzen. Die hierfür notwendige Entwicklung eines geeigneten
Verfahrenskonzeptes und Anlagenprototyps ist dabei die
Aufgabenstellung. Insbesondere die Steuerung für die mechanische Behandlung ist aufgrund der Vielzahl von Profilen
eine entscheidende Voraussetzung für die neue Anwendung
an Profilwalzen. Üblicherweise verfügen Profilwalzwerke
über mehrere Hundert verschiedene Walzen mit zum Teil
The aim of the ongoing project is to apply micro cold
forging for the first time to the rolls for hot rolling of sections. This involves the development of a suitable process
concept and building a prototype of the necessary equipment. The control system for the mechanical treatment
is a critical prerequisite for applying this process for the
first time to work rolls for section rolling because of the
many different section profiles involved. Section rolling
mills normally have several hundred different rolls, some
83
engen Radien und komplexer Geometrie für Spezialprofile.
Die Anlagen und insbesondere die Anlagensteuerung müssen
in der Lage sein, die individuell neu zu bestimmenden Verfahrensparameter gezielt auf die kritischen Walzenbereiche
anwenden zu können.
of which have very small radii and complex geometries for
producing special sections. The equipment and its controls
must be capable of applying the process parameters, which
have to be individually redefined, in a targeted manner to
the critical areas of the rolls.
Die exemplarische Adaption des Mikro-Kalt-Schmiedens
auf Warmprofilwalzen als Ziel dieses Forschungsvorhabens
soll die Standmengen der Profilwalzen erhöhen und die
Produktqualität verbessern ohne die Nachteile bisheriger
Verfahren zur Standmengenerhöhung.
The exemplary adaptation of micro cold forging to rolls
for hot section rolling ñ as the goal of this research project
ñ is intended to increase the life of the rolls and improve
product quality without the drawbacks that have accompanied previous methods for improving tool life.
Im Einzelnen sollen folgende Arbeiten durchgeführt
werden: Zunächst müssen die Verfahrensparameter des Mikro-Kalt-Schmieden auf die mechanische und thermische
Belastung werkstoffspezifisch angepasst werden. In Technikumsversuchen werden die Verfahrensparameter auf ihre
Wirksamkeit erprobt und optimiert. Ausgehend von diesen
Verfahrensparametern und den geometrischen Anforderungen der Walzenprofile soll ein Prototyp mit der zugehörigen
Steuerungssoftware entwickelt und aufgebaut werden, der die
Walzenbehandlung in den Werken ermöglicht. Die Integration
in die Walzenbearbeitung der Werke ist daher eine wichtige Voraussetzung. Anlagenprototyp sowie die behandelten
Walzen werden in Industrieversuchen erprobt und optimiert.
Diese Ergebnisse werden die Bewertung des Potentials des
Mikro-Kalt-Schmieden von Warmprofilwalzen ermöglichen.
The following tasks are envisaged: The first step is to
adapt the process parameters for micro cold forging to the
mechanical and thermal loads on the specific material.
The process parameters will then be tested for effectiveness on pilot plant and optimised. Based on these process
parameters and the geometric requirements of the work
roll profiles, a prototype and the related control software
are to be developed and built to allow roll treatment in an
industrial setting. The ability to be integrated into the roll
machining facilities in steelworks is therefore an essential
precondition. The system prototype and the treated rolls
will then be put through industrial trials and optimised.
The results will make it possible to evaluate the potential
of micro cold forging for hot section rolling.
Die Schwerpunkte der Arbeiten des BFI beinhalten neben
der Durchführung und Bewertung von Verschleißversuchen
(2-Zylinder-Heiß-Prüfstand, Bild 58) zur Bestimmung der
geeigneten Verfahrensparameter zum Mikro-Kalt-Schmieden
von Profilwalzen auch die Begleitung der Betriebsversuche.
The main focus of the work performed by BFI will be
to conduct and evaluate the wear tests (2-cylinder hot test
bench, Fig. 58 ) to determine suitable process parameters
for micro cold forging of section rolls and to coordinate
the industrial trials.
58 2-Zylinder-Heiß-Prüfstand
2-cylinder hot testing stand
84
Prozesstechnik
Oberflächentechnik und Stahlveredelung
Process
Surface Technology and Finishing
Zunderkonditionierung
Scale conditioning
86
Kontrolle der Verzunderung bei der Wiedererwärmung bei Erwärmungsprozessen mit alternativen
Gasen und Technologien
technologies
87
Hochdruck-Wasserstrahlen zur Entzunderung von
Stahldraht
steel wire
89
Säuremanagement in Europäischen Beizlinien
Cost-optimised, reliable and safe acid
management in European pickling lines
90
Optimierung von hochbeanspruchten Gleitkontakten durch den Einsatz innovativer Beschichtungsund Oberflächenkonzepte
through the use of innovative coating and surface
finish concepts
92
Verschleißschutzschichten
Wear protection coatings
93
auf die Änderung der Oberflächentopographie
Influences of the electrolytic coil coating process
on surface topography alterations
94
Energie- und ressourceneffiziente elektrolytische
Verzinkung von Stahlbändern
zinc-coating of steel coils
96
technology for highly abrasive web material
98
sheet metal surface on the formation of waviness
in the top coat
98
Schneidtechnik für hochverschleißendes Bahnenmaterial
Erarbeitung einer Normvorlage zur einheitlichen
Bewertung des Einflusses der Welligkeit in der
Feinblechoberfläche auf die Ausbildung der
Decklackverlaufstruktur
Oberflächentechnik und Stahlveredelung · Surface Technology and Finishing
Zunderkonditionierung
Scale conditioning
Bei der Wiedererwärmung von Stahl vor Warmumformprozessen bilden sich an der Oberfläche der Rohteile durch
Hochtemperaturkorrosion Eisenoxide. Dieser sogenannte
Zunder führt aufgrund von Materialverlusten und die durch
Einpressen nicht entfernter Zunderstücke entstehenden Oberflächendefekte zu erheblichen wirtschaftlichen Verlusten.
Weiterhin können durch Anhaftungen von Zunderstücken
an den Umformwerkzeugen neben verschleißbedingten Schäden am Umformwerkzeug weitere Oberflächendefekte am
Werkstück durch Einprägen des Zunders entstehen.
During the reheating of steel before hot forming processes high-temperature corrosion causes iron oxides to
form on the surface of the raw parts. Known as scale,
this results in loss of material and surface defects due
to unremoved scale particles being pressed into the
surface, all of which leads to considerable economic
losses. Furthermore, when fragments of scale adhere
to forming tools, this will not only cause wear-related
damage to the tools but also lead to further surface
defects on the rolling mill stock as the scale becomes
impressed there.
Aus diesem Grund wird am BFI seit einigen Jahren an
Möglichkeiten geforscht, die Zunderbildung gezielt zu beeinflussen. Die Zundermorphologie wird durch verschiedene Faktoren beeinflusst. Neben der Ofenatmosphäre,
Wärmtemperatur und Verweilzeit sind vor allem die verschiedenen Legierungselemente des Stahls für die unterschiedliche Ausbildung der Zunderschicht verantwortlich.
Durch die Nutzung von speziellen Beschichtungen wird
der Stofftransport des Sauerstoffs an die Oberfläche des
Vormaterials derart beeinflusst, dass sich die Zunderbildung
verändert und eine Verminderung der gebildeten Zundermenge und eine Konditionierung des Zunders hinsichtlich
Haftungseigenschaften und Morphologie ermöglicht wird.
Die Anforderungen an die Beschichtungen sind sehr hoch,
da diese bei Temperaturen über 1200 °C wirksam sein
müssen und die Ofenliegezeiten teilweise mehrere Stunden betragen. Trotzdem dürfen diese Beschichtungen den
Wärm- und Umformprozess nicht negativ beeinflussen.
For all of these reasons, BFI has for some years been researching the possibilities of influencing scale formation
in a targeted manner. Scale morphology is influenced by a
variety of factors. In addition to the furnace atmosphere,
heating temperature and dwell time, it is above all the
different alloying elements which are responsible for
scale formation. By using special coatings, the transport
of oxygen at the surface of the prematerial is influenced
in such a way that the scale formation process changes,
enabling a reduction in the amount of scale formed as
well as conditioning of the scale in terms of adhesion
characteristics and morphology. The demands made on
the coatings are very high since they have to remain
effective at temperatures above 1200 °C and the furnace
dwell times can last up to several hours. Nevertheless,
these coatings may not have a negative effect on the
reheating and forming process.
59 Schematische Darstellung der Ausbildung verschiedener Beschichtungen für den Verzunderungsschutz
Schematic diagram of the formation of different diffusion resistant coating layers for prevention of scale formation
60 Modell der Wirkweise des nanopartikelhaltigen Beschichtungssystems zur Zunderkonditionierung
Model of the function of a coating system for scale conditioning containing nano-particles
86
Die derzeitigen Forschungsarbeiten befassen sich mit
diffusionsdichten Beschichtungen, die auf kaltes Vormaterial aufgebracht werden und deren Einfluss auf die Primärzunderbildung während des Wärmprozesses. Dabei
können unterschiedlichste Beschichtungstypen eingesetzt
werden, deren grundsätzliche Funktionsweise Bild 59 zeigt.
The research work currently being undertaken in this
field deals with diffusion-resistant coatings applied to the
cold prematerial and their effects on primary scale formation during the reheating process. A wide variety of coating
types can be used here. Their basic function principles are
shown in Fig. 59.
Es wird angenommen, dass die vorwiegend partikelfreie,
organische Basisbeschichtung bis ca. 800 °C diffusionsdicht
ist. Bereits bei niedrigeren Temperaturen verbrennt die enthaltene Organik, die Oxidation von weiteren Beschichtungsbestandteilen bei Temperaturen unter 800 °C führt dazu,
dass die Schicht porös wird. Sauerstoff diffundiert an die
Substratoberfläche und es kommt zur Verzunderung. Bei
Beschichtungen mit mikroskaligen Partikeln verhindert die
Größe der Partikel ein vollständiges Eintauchen der Partikel
in die partikelfreie Basisbeschichtung. Aufgrund der Poren
zwischen den einzelnen Partikeln, wird eine offenporige
Schicht mit Schmelzpunkt > 1000 °C ausgebildet. Der Sauerstoff kann an einzelnen Stellen an die Substratoberfläche
diffundieren und es tritt Oxidation auf. Bei Schichten, die
nanoskalige Partikel bzw. Strukturen enthalten, wird angenommen, dass diese in die Basisbeschichtung eingebunden
sind und es zur Ausbildung einer diffusionsdichten Schicht
kommt, da der Sinterpunkt der nanoskaligen Partikel nahe
1000 °C liegt. Der Sauerstoff kann nicht an die Substratoberfläche diffundieren und die Zunderbildung wird verhindert.
It is assumed that a largely particle-free organic basic
coating will be diffusion-resistant up to approx. 800 °C.
However, the organic compounds will already begin to
combust at relatively low temperatures and oxidation of
further coating constituents at temperatures below 800 °C
causes the layer to become porous. Oxygen can then diffuse
through to the substrate surface and scale begins to form.
In coatings with microscale particles, the size of the particles prevents complete penetration into the particle-free
basic coating. Because of the pores between the individual
particles, the coating formed is an open-pored layer with
a melting point > 1000 °C. Oxygen can diffuse through
this at individual spots and oxidation will occur. In layers
with nanoscale particles or structures, it is assumed that
these are embedded in the basic coating and the resulting
layer will be diffusion-resistant, as the sintering point of
the nanoscale particles is in the region of 1000 °C. Oxygen
cannot diffuse through to the substrate surface, and scale
formation is thus prevented.
Im Rahmen verschiedener laufender Forschungsvorhaben werden die Anwendungstauglichkeit verschiedener
diffusionsdichter Beschichtungen für die Verminderung
der Hochtemperaturkorrosion untersucht. Ein Projekt
fokussiert dabei, den Einsatz eines speziellen Beschichtungstypes der Sol-Gel-Beschichtungen für die Verminderung der Hochtemperaturkorrosion mit dem Ziel, eine
Vergleichmäßigung der Zunderbildung und eine gute
Entzunderbarkeit zu erreichen. Bei einem Projekt liegt
der Schwerpunkt der Arbeiten auf der Entwicklung einer
Beschichtung mit zunderkonditionierenden Eigenschaften durch Einsatz verschiedener (nano-)skaliger Partikel.
Dabei soll nicht nur die Zunderbildung verringert werden sondern auch eine Schmierwirkung durch gezielten
Zunderauf bruch im nachfolgenden Umformschritt beim
Gesenkschmieden erreicht werden. Ein Modell der Wirkweise des nanopartikelhaltigen Beschichtungssystems zur
Zunderkonditionierung zeigt Bild 60 .
A number of ongoing research projects are investigating
the fitness for use and capabilities of various diffusion-resistant coatings to reduce high-temperature corrosion. One
project is focusing on the use of a special coating of the
sol-gel type to reduce high-temperature corrosion with
the aim of achieving more uniform scale formation patterns and good descaleability. In one project, the focus is
on the development of a coating with scale-conditioning
properties by using different nano-scale particles. The intention is not only to reduce scale formation but also to
achieve a lubricating effect by targeted scale cracking in
the subsequent forming step during die forging. A model
of the action principle of nano-particle-containing coating
systems for scale conditioning is shown in Fig. 60 .
Kontrolle der Verzunderung bei der
Wiedererwärmung bei Erwärmungsprozessen
mit alternativen Gasen und Technologien
technologies
Die Wiedererwärmung in Schmiede- und Walzwerksöfen
stellt die Betreiber vor stets neuen Aufgaben hinsichtlich
optimaler Prozessführung. Neben der Zundermenge (insbesondere Schmiedeöfen) muss auch die Entzunderbarkeit und folglich Bandqualität (insbesondere Warmwalzer)
kontrolliert und beherrscht werden. Dieses umso mehr,
Reheating processes in forge shop and rolling mill furnaces constantly present new challenges for the operators
striving to achieve optimal process management. In addition to the amount of scale (especially in forging furnaces),
the descaleability and the following strip quality (especially
in hot rolling) must be controlled and mastered. This is
87
als dass alternative Brennertechnologien und alternative
Brenngase (Koksofengas, Hochofengas) eingesetzt werden
und die äußere Zunderbildung der (Wieder-)erwärmten
Stahlprodukte verändern. Hier besteht noch erheblicher
Forschungsbedarf.
particularly important where alternative firing technologies
and alternative fuel gases (coke-oven gas, blast furnace offgas) are used which change the external scale formation of
the (re)heated steel products. Extensive additional research
will be required here.
Seitens der Schmiede- bzw. Warmwalzindustrie werden Mängel in Energieeffizienz und Verfahrensführung
während Erwärmung, Walzung und Entzunderung von
Brammenmaterial genannt.
Complaints are heard from the forging and hot rolling
industries regarding insufficient energy efficiency and
process manageability during the reheating, rolling and
descaling of slab material.
Auch mangelnde Kenntnisse über Korrosionsbildung
während Wiedererwärmung nach Brenngasumstellung
(z.B. von Erdgas auf Konvertergas) stellen ein Problem dar.
Lack of knowledge concerning the corrosion forming
processes during reheating after a switch of fuel gas
(e.g. from natural gas to converter off-gas also poses a
problem.
Qualitätsmängel und Folgeschäden an Walzgut und Anlagen durch Korrosionsprodukte, darunter sind oberflächennahe Reaktionen (Verzunderung, Entkohlung, innere
Korrosion) und Schädigungen durch Korrosionsprodukte
(Deckschichtoxide; Restzunder, Schmelzzunder...) zu verstehen, werden als Motivationspunkte genannt, für welche
Wege zur Problemlösung entworfen wurden.
Quality problems and subsequent damage to rolling stock
and plant due to corrosion products ñ including surface
zone reactions (scale formation, decarburisation, inner
corrosion) and damage due to corrosion products (surface
oxides, residual scale, melt scale, etc.) provided the motivation for starting a research project.
Die Projektziele bzw. Wege zur Problemlösung sind die
Minimierung korrosionsbedingter (Ausfall-) Schäden, vorwiegend durch Oberflächendefekte bzw. durch Restzunder
mithilfe der Etablierung innovativer Verfahrenstechnologien. Dazu zählen der wirtschaftliche Brennstoffeinsatz
und neue Brenner- und Ofentechnologien für eine korrosionsminimierte Wiedererwärmung und Warmwalzung,
This project aims or approaches are the minimisation of
corrosion-related (failure) damage due mainly to surface
defects or residual scale with the help of established innovative process technologies. These include economical
use of fuels and new burner and furnace technologies
for corrosion-minimised reheating and hot rolling, taking
account of the special characteristics of corrosion forma-
61 Temperaturfeld einer Bramme aus 42CrMo4 nach 7-stündiger Erwärmung in Methangasatmosphäre
Temperature field of a 42CrMo4 slab after 7 hours heating in a methane gas atmosphere
88
welches die Besonderheiten der Korrosionsbildung (Deckschichtzunder, Randentkohlung, Gefügeänderung…) mitberücksichtigt.
Für eine repräsentative Darstellung der Prozesse wurde
eine Auswahl von typischen Referenz-Betriebszuständen für
Schmiede- und Walzwerksöfen (Brenner, Ofen, Brenngase)
festgelegt. Hierbei wurden mithilfe von betriebsnahen Versuchen und Laboruntersuchungen zur Korrosionsbildung
und Gasströmung auch Berechnungen zum Wärmeübergang
durchgeführt. Die Randschichtkorrosion (Deckschichtzunder
und Randentkohlung) wurde mithilfe von Mikrostrukturanalysen des Randschichtgefüges unter dem Einfluss des Ofenbetriebs (Brenner, Brenngas, Strömungsbedingungen) eingehend
untersucht. Die Ergebnisse dieser Untersuchungen beschreiben
für ferritische Baustähle, für aushärtbare Schmiedestähle als
auch für austenitische Edelstähle die Korrosionsbildung in
Abhängigkeit der Versuchsbedingungen und eingesetztem
Brenngas (Erdgas, Koksofengas und Hochofengas). Es werden
Handlungsempfehlungen für ökonomische und qualitätsorientierte Erwärmungsstrategien gegeben.
tion (surface scale, surface decarburisation, microstructure
changes, etc.).
In order to obtain a representative view of these processes,
a selection of typical reference operating conditions for forging and rolling mill furnaces (burners, furnace, fuel gases)
was defined. In the course of shop tests, Fig. 1, and laboratory
studies on corrosion formation and gas flow conditions,
calculations on heat transfer rates were also conducted.
The surface corrosion (surface scale and decarburisation)
was closely investigated with the help of analyses of the
sub-surface microstructure under the influence of furnace
operation modes (burners, fuel gas, flow conditions). The
results of these studies describe the corrosion formation
processes for ferritic structural steels, for hardenable forging
steels and for austenitic stainless steels as a function of the
test conditions and the fuel gas used (natural gas, coke-oven
gas, and blast furnace off-gas. Recommendations will be given for economical and quality-focused reheating strategies.
Hochdruck-Wasserstrahlen zur Entzunderung
von Stahldraht
steel wire
Das Beizen von Stahldraht, insbesondere aus Edelstahl,
ist ein aufwändiger Prozess: auf die Vorbehandlung z.B. in
einem Salzbad folgen mehrere Beizschritte mit hoch konzentrierten Säuren. Bei Stahlgüten mit hoher Chrom- und
Nickellegierung durchläuft ein nennenswerter Prozentsatz
der Drahtcoils die gesamte Beizanlage doppelt. Damit verbunden sind eine doppelte Anlagenbelegung sowie ein
hoher Verbrauch an Vorbehandlungs-Chemikalien und
Säuren und entsprechende Entsorgungskosten.
Pickling of steel wire, especially that made of special
steel, is a complex process involving pretreatment (e.g. in
a salt bath) followed by several pickling steps using highly
concentrated acids. For steel alloys with a high percentage
of chrome and nickel, a significant proportion of the wire
coils has to be passed through the entire pickling line twice.
This doubles the amount of coils being processed simultaneously and results in higher consumption of pretreatment
chemicals and acids, which in turn drives up disposal costs.
62 Hochdruck-Wasserstrahlversuch zur Entzunderung von Drahtcoils
High pressure water jet test for descaling wire coils
89
In einem laufenden europäischen Forschungsprojekt hat
das BFI zusammen mit vier Projektpartnern aus Forschung
und Industrie das Hochdruck-Wasserstrahlen zur Entzunderung von Drahtcoils untersucht. Ziel ist die Steigerung der
Beizeffizienz und Verringerung der eingesetzten Ressourcen.
In an ongoing European research project, BFI and four
project partners from research and industry have investigated the use of high pressure water jet treatment to
descale wire coils with the dual aim of improving pickling
efficiency and reducing resource usage.
Hierzu wurden Laborversuche zum Hochdruck-Wasserstrahlen von einzelnen Stahldrähten und geschichteten
Stahldrähten entsprechend der Geometrie im Drahtcoil
durchgeführt. Mit Wasserstrahl-Drücken von ca. 650 bar
kann der in einem vorhergehenden Beizschritt angelöste
Zunder von den Stahldrähten entfernt werden.
Laboratory tests have been conducted with high pressure water jets to treat single steel wires and stacked steel
wires simulating the geometry in a wire coil. At water jet
pressures of approx. 650 bar it is possible to remove scale
from the steel wire that was partially detached in an upstream pickling step.
Die Entzunderung von Drahtcoils mittels Hochdruck-Wasserstrahlen ist wegen der unterschiedlichen
Geometrie nicht vergleichbar mit der Bandentzunderung.
Durch die Drahtschicht wird der Wasserstrahl abgelenkt
und die Aufprallkraft erheblich verringert. Trotzdem kann
bei geeigneter Verfahrensführung auch beim Drahtcoil ein
großer Teil des Wischzunders durch Hochdruck-Wasserstrahlen entfernt werden.
Because of the different geometries involved, the descaling of wire coils with high pressure water jet treatment
cannot be compared with strip descaling. The water jet is
deflected by the wire layer, which considerably reduces
the force of impingement. Nevertheless, if the process is
suitably controlled, high pressure water jets can indeed
remove a large part of the electrolytic scale from a wire coil.
Das entwickelte Verfahren wurde in einer Beizlinie eines Industriepartners unter industriellen Bedingungen
erstmals getestet. Im Bild gezeigt ist eine Voruntersuchung
an kompletten Drahtcoils außerhalb der Beizlinie. Für
verschiedene ferritische und austenitische Stahlgüten erbrachte das Hochdruckwasserstrahlen sehr gute Erfolge: der
Doppeldurchsatz dieser Güten durch die Beizlinie konnte
halbiert werden.
Die abschließend durchgeführte Kosten-Nutzen-Analyse zeigt das Potential des Verfahrens in Bezug auf die
Steigerung der Produktivität der Beizlinie, aber auch weiteren Entwicklungsbedarf in Bezug auf den Wasser- und
Stromverbrauch.
The process has been tested under industrial operating
conditions in the pickling line of an industrial partner. The
figure shows a preliminary inspection of complete wire
coils outside the pickling line. The high pressure water jet
treatment achieved very good results for different ferritic
and austenitic steel grades: it was possible to cut the number of repeated passes through the pickling line by half.
The cost-benefit analysis that was subsequently carried
out shows the potential of the method to increase pickling
line productivity, but also that further development will
be needed with respect to the water and electric power
usage rates
Säuremanagement in Europäischen Beizlinien
Cost-optimised, reliable and safe acid
management in European pickling lines
Ein entscheidender Schritt für die Erzeugung qualitativ
hochwertiger Metalloberflächen in Kaltwalzwerken ist
das Beizen. Hierunter wird das chemische Entfernen von
Oxidschichten (Zunder) und anderer Verunreinigungen
mit Hilfe starker anorganischer Säuren verstanden. Beim
Beizen von Kohlenstoffstählen sind dies meist HCl und
H2SO4, beim Beizen von Edelstahl wird hingegen hauptsächlich Mischsäure auf Basis von HF und HNO3 eingesetzt.
One crucial step in producing high-quality metal surfaces
in cold-rolling mills is pickling. This is a process for chemically removing oxide layers (scale) and other impurities
with the help of strong inorganic acids. When pickling
carbon steels, these are usually HCl and H2SO4, whereas
mainly mixed acids based on HF and HNO3 are used for
pickling stainless steel.
Anlagenkomponenten wie Beizbecken, Lagertanks, Rohrleitungen sowie Bestandteile der Beizsäureregeneration
bestehen wegen der hohen Beständigkeit gegenüber den
Säuren aus Kunststoffen wie PE, PP, PVDF oder PES.
In den letzten Jahren sind die Beiztemperaturen in den
Betrieben zunehmend angehoben worden. Es zeigten sich
dann häufig zuvor nicht beobachtete Schadensfälle von
90
Line components such as pickling tanks, storage tanks,
piping systems and parts used in pickling acid regeneration
are made of plastics such as PE, PP, PVDF or PES because
of their high resistance to the acids.
In recent years the pickling temperatures in the lines
have been steadily raised. This has resulted in cases of
damage to plastic parts that had not been observed before,
partly due to the degradation of polymer chain lengths and
Kunststoff bauteilen, die sowohl auf einen Abbau der Polymer-Kettenlänge als auch auf die Reaktion der Säuren mit
Additiven zurückgeführt werden können (Kunststoff korrosion). Kunststoff korrosion kann zu kritischen Situationen
hinsichtlich Sicherheit der Mitarbeiter, der Umwelt und
der Wirtschaftlichkeit der Beizbetriebe führen.
Im Rahmen des Projektes werden vom BFI Filtrationsmembranen aus Kunststoff (Spacer, Nanofiltration, Diffusionsdialyse, Elektrodialyse) sowie Ionenaustauscher vor und
nach der Beaufschlagung mit Beizsäuren charakterisiert.
Zu den eingesetzten Charakterisierungsverfahren zählen
z.B. Filtrationsleistung, Trennleistung sowie chemische
Zusammensetzung. Weiterhin soll der Einfluss von gleichzeitigem chemischem und mechanischem Angriff auf die
Werkstoffeigenschaften untersucht werden. Die Untersuchungen sollen Hinweise auf die langfristige Stabilität der
jeweiligen Kunststoffe und auf die Mechanismen für eine
Schädigung geben.
Im Rahmen des Projektes fanden in Kooperation mit
der Stahlakademie zwei international organisierte Seminare zur Kunststoff korrosion in der Stahlindustrie statt.
In diesen wurden neben zahlreichen Schadensfällen auch
Maßnahmen zum sicheren und verlässlichen Einsatz von
Kunststoffen in Beizbetrieben dargestellt und diskutiert.
partly to the acids reacting with additives (plastic corrosion).
Plastic corrosion can lead to critical situations regarding
the safety of employees, the environment, and the cost-efficiency of the pickling facilities.
Within the scope of the project, BFI filtration membranes made of plastic (microfiltration, nanofiltration, diffusion dialysis, electrodialysis) and ion exchangers were
characterised before and after being exposed to pickling
acids. The characterisation methods used included filtration performance, separation performance and chemical
composition. Further to this, the effect of simultaneous
chemical and mechanical attack on the material properties
is to be investigated. The studies are expected to provide
information on the long-term stability of the respective
plastics and the damage mechanisms.
As part of the project, two international seminars on
plastic corrosion in the steel industry were organised jointly with the Steel Academy. In addition to presenting and
discussing numerous damage cases, the seminars focused
on measures for safe and reliable use of plastics in pickling lines.
63 Optischer Vergleich zwischen neuen und aktuellen industriell eingesetzten Ionenaustauschermembranen
Optical comparison between new and current industrially employed ion exchange membranes
91
Optimierung von hochbeanspruchten
Gleitkontakten durch den Einsatz innovativer
Beschichtungs- und Oberflächenkonzepte
through the use of innovative coating and
surface finish concepts
Während bei den klassischen Anwendungen des Maschinenbaus durch vielfältige Forschungsaktivitäten ein hohes Niveau
erreicht wurde, besteht bei den zunehmend an Bedeutung
gewinnenden Tribosystemen im Grenzreibungsgebiet (geringe
Gleitwege, -geschwindigkeiten; hohe instationäre Belastungen)
wie z.B. fettgeschmierten Anwendungen in Windkraftanlagen
und der Stahlindustrie ein enormes Defizit.
While high standards have been achieved in classic mechanical engineering applications through a multitude of
research activities, there is a huge deficit where it comes
to the growing need for tribosystems in boundary friction
conditions (short sliding paths, low sliding speeds, high
non-steady-state stresses), such as for grease lubricated applications in wind power plants and in the steel industry.
Ziel des Projektes ist es, den hinsichtlich seiner hohen
Lastaufnahmefähigkeit und des guten Dämpfungsvermögens prädestinierten Gleitkontakt durch innovative
Beschichtungssysteme sowie angepasste Oberflächentopografien für solche Anwendungen zu verbessern. Die Untersuchungen sollen am Beispiel des Gleitkontaktes eines
Hybrid-Einstelllagers für Stranggießrollen durchgeführt
werden. Hohe Lasten, diskontinuierliche Bewegungsabläufe
mit geringen Gleitwegen sowie aggressive Umgebungsbedingungen führen bei den zur Zeit fettgeschmierten Gleitkontakten zu Grenzreibungsbedingungen und hohen Haftreibungszahlen. Aus der damit verbundenen Behinderung
der Winkeleinstellbarkeit resultieren extreme Lagerbeanspruchungen (Axialkräfte), die zu einem hohen Verschleiß
der Lagerkomponenten bis hin zum Totalschaden führen
können. Zusätzlich zum Aufwand für Reparatur- und Instandhaltungsmaßnahmen, einer möglichen Qualitätsminderungen durch abweichende Strangführung entstehen
insbesondere hohe Kosten durch Produktionsausfall.
The aim of this project is to improve the sliding contact,
which is essentially ideal for such applications due to its
high load-bearing capability and good damping characteristics, by using innovative coating systems and adapting the
surface topography. The studies will be conducted using as
an example the sliding contact of a hybrid adjustable bearing for continuous casting rolls. High loads, discontinuous
motion sequences with short sliding displacement, and
harsh environmental conditions currently lead to boundary
friction conditions and high stiction coefficient levels for the
sliding contact surfaces which are currently grease-lubricated. The resulting restriction in angular adjustability leads
to extreme stresses on the bearing (axial forces) which can
cause increased wear on the bearing components and, ultimately, total failure of the parts. In addition to the expense
and effort of repair and maintenance work, and possible
deterioration in quality due to incorrect strand guidance,
high costs are incurred because of production stoppages.
Neben einer geplanten Erhöhung der Nutzungsdauer der
Lager sowie der Verbesserung der Betriebssicherheit soll bei
dieser Anwendung die Voraussetzung für eine Substitution
der zurzeit üblichen Fett-Verlustschmierung durch eine
Lebensdauerschmierung erreicht werden.
Das Projekt wird zusammen mit einem Lagerhersteller, einem Schmierstoff hersteller und der Stahlindustrie
Besides the planned increase in the service life of the
bearings and improvement of their operational reliability,
the intention is to create the prerequisites for substituting
the usual loss lubrication method with grease by a “lubed
for life” alternative.
The collaborative project funded by the Land of North
Rhine-Westphalia and the EU is being conducted together
with a bearing manufacturer, a lubricant manufacturer
64 Prüfstandsanpassung zur Bauteilprüfung (Gleitkontakt)
Test stand modification for the component testing (sliding contact)
92
durchgeführt. Neben der Gesamtkoordination ist das BFI
für folgende Arbeiten verantwortlich: Ermittlung des Ist-Zustandes / Schadensanalytik, Modifikation vorhandener Modell- und Bauteilprüftechnik, Entwicklung und Bewertung
angepasster Oberflächentopografien, Durchführung und
Bewertung von Modell- und Bauteilprüfungen sowie die
Begleitung des Betriebsversuches.
and the steel industry. In addition to taking charge of the
overall coordination, BFI is responsible for the following
work: inventorying the as-is situation / damage analytics,
modification of existing model and component testing
technology, developing and evaluating adapted surface
topographies, performance and assessment of model and
component tests and supervision of the industrial tests.
Neben unterschiedlichen Gleitlacksystemen, die hinsichtlich ihrer tribologischen Eigenschaften optimiert werden sollen, werden Chemisch Nickel Dispersionsschichten sowie
reibungsoptimierte Hartchromschichten untersucht. Anforderungen an das Schichtsystem sind u.a. niedrige Reibung /
Haftreibung, gutes Verschleiß – und Korrosionsverhalten, gutes Stick-Slip-Verhalten sowie gute Dämpfungseigenschaften.
Apart from investigating different slide coating systems,
which are to be optimised in terms of their tribological
properties, research will focus on galvanic nickel dispersion
layers and friction-optimised hard chromium layers. The
requirements for the coating systems include low friction/
stiction, good wear and corrosion behaviour, good stick-slip
behaviour and good damping properties.
Zur Simulation der Beanspruchung am Gleitkontakt
des Einstelllagers wurde ein am BFI vorhandener Wälzlagerprüfstand umgebaut (Bauteilprüfung, Bild 64 ). Der
Prüfstand erlaubt die Prüfung von Original-Lagern unter
realen Beanspruchungsbedingungen.
To simulate the load on the sliding contact surface of
the adjustable bearing, an existing rolling bearing test
bench at BFI was converted (component testing, Fig. 64 )
The test bench allows testing of original bearings under
real loading conditions.
Verschleißschutzschichten
Wear protection coatings
Walzen für das Warmprofilwalzen sind hohen thermischen
und mechanischen Belastungen ausgesetzt. Defekte an den
Walzen, die durch mechanischen Abrieb und Oberflächenzerrüttung entstehen führen zu Toleranzabweichungen bei den
Profilen und damit zu einer Verminderung der Produktqualität.
Der direkte Kontakt der formgebenden Profilwalzen mit dem
heißen Walzgut und der zeitgleichen Wasserkühlung führt zu
extremen thermischen Wechselbeanspruchungen der Walzen
von bis zu 400 °C. Zudem herrschen wechselnde Schubbelastungen und hohe Druckspannungen von bis zu 200 MPa.
Rolls designed for hot rolling of long products are exposed
to high thermal and mechanical loading. Defects in the
rolls that occur through mechanical abrasion and surface
degradation lead to tolerance deviations in the sections and
thus poorer product quality. Direct contact of the profiled
rolls with the hot rolling stock plus simultaneous water
cooling leads to extreme thermal cycling of the rolls with
swings of up to 400 °C. In addition, there are alternating
thrust loads and high compressive stresses of up to 200 MPa.
Zur Verbesserung der Walzenstandmengen wurden in
verschiedenden Projekten innovative Beschichtungssysteme
With a view to improving the tool life of the rolls, various projects are investigating innovative coating systems
based on galvanic and electrolytic dispersion coatings as
65 Lichtmikroskopische Aufnahme einer chemisch-Nickeldispersionsschicht mit eingelagerten Borcarbidpartikeln
Light-microscope scan of a Ni-P-dispersion layer containing boron carbide particle
93
auf Basis chemischer und elektrolytischer Dispersionsbeschichtungen für den Einsatz beim Warmprofilwalzen untersucht und weiterentwickelt. Das Ziel ist die Erforschung
und industrielle Erprobung von Oberflächenbeschichtungen, die den abrasiven und adhäsiven Verschleiß verringern.
Das BFI erprobt bestehende Dispersionsbeschichtungen
auf deren Eignung für die Bedingungen beim Warmwalzen
von Profilen, erforscht neue Dispersionsschichtsysteme und
führt eine bedarfsgerechte Entwicklung der Schichtsysteme
durch. Die Beschichtungen müssen hinsichtlich ihrer Temperatur- und Temperaturwechselbeständigkeit, Schichthaftung
Verschleißbeständigkeit und Duktilität hohe Anforderungen
erfüllen. Hierzu werden in Laboruntersuchungen neben der
Chemie der Beschichtungsbestandteilen die Schichtdicken,
der Anteil und die Art der Dispersionspartikel und deren
Größe sowie die abschließende Wärmebehandlung der
Beschichtungen variiert. Die so erzeugten Beschichtungen
werden anschließend hinsichtlich ihres abrasiven Verschleißverhaltens (Stift-Scheibe-Verfahren), ihrer Beständigkeit
gegen Oberflächenzerrüttung (Prallstrahl-Verfahren) und
der Haftungseigenschaften charakterisiert. Die verschleißbeständigsten Dispersionsschichten werden betriebsnahen
Beanspruchungen auf einem Wälzprüfstand ausgesetzt. Hier
zeigte sich in vergleichenden Untersuchungen mit einem
unbeschichteten Walzenwerkstoff , dass der mittlere lineare Verschleiß durch die Beschichtungen um bis zu 93 %
vermindert werden konnte. Durch den Abtrag wurde die
Oberfläche homogen eingeebnet. Erste betriebliche Untersuchungen an einer Profilwalze zeigten eine Verdoppelung der
Walzenstandmenge. Dieses Ergebnis wurde mit einer 30-50
µm dicken Nickeldispersionsschicht mit 32 Vol.-% Borcarbid-Partikeln mit Partikelgrößen von 2 bis 16 µm nach einer
einstündigen Wärmebehandlung bei 400 °C erzielt (Bild 65 ).
Die Anwendung von chemisch-Nickeldispersionsschichten für die Warmumformung ist daher aussichtsreich.
Durch eine geeignete Verschleißschutzschicht können die
Standzeiten der Walzen verlängert und gleichzeitig die
Maßhaltigkeit und die Oberflächenqualität des Produktes
gewährleistet werden.
to their use in hot section rolling mills and developing
them further. The aim is to research and conduct industrial
trials to identify coatings which can reduce abrasive and
adhesive wear.
BFI is testing existing dispersion coatings as to their
suitability for use in the conditions prevailing in hot
rolling of sections as well as researching new dispersion
coating systems and developing the layered systems further as required. The coatings must meet high demands
regarding resistance to temperature and thermal cycling,
layer adhesion, wear resistance and ductility. Accordingly, a number of conditions are varied in laboratory tests,
including the chemistry of the coating constituents, the
layer thicknesses, the proportion and type of dispersion
particles and their size, and the subsequent heat treatment
of the coatings. The coatings produced in this way are then
characterised according to their abrasive wear behaviour
(pin-on-disk method), resistance to surface degradation
(jet impingement method) and adhesion properties. The
most wear-resistant dispersion layers are then exposed to
loading under near-real conditions on a roll test bench. In
comparative tests with an uncoated roll material, it was
shown that the mean linear wear could be reduced by up to
93% by the coating. The abrasion resulted in homogenous
levelling of the surface. The first industrial tests of with
a profiled roll resulted in doubling of the rollís lifetime.
This outcome was achieved with a 30-50 µm thick nickel
dispersion layer with 32% by volume of boron carbide
particles with a particle size of 2 to 16 µm after one hour
of heat treatment at 400 °C (Fig. 65 ).
The application of galvanic nickel dispersion coatings
therefore looks promising for hot forming. With a suitable
wear protection coating, the tool life of the rolls can be
prolonged while maintaining the dimensional tolerances
and the surface quality of the product.
auf die Änderung der Oberflächentopographie
Influences of the electrolytic coil coating
process on surface topography alterations
Verzinkte Stahl-Flachprodukte in Kombination mit weiteren Schichten und Lacken bieten einen ausgezeichneten Korrosionsschutz für eine Vielzahl von Anwendungen. Elektro
lytisch verzinkte Feinbleche zeichnen sich durch sehr gute
Umformeigenschaften und Lackierbarkeit aus und werden
daher unter anderem für Außenhautteile von Automobilen
eingesetzt. Die genannten Verarbeitungseigenschaften werden wesentlich durch die Oberflächentopografie beeinflusst.
Daraus resultierend wird für Feinbleche im Automobilbereich ein enges Toleranzband bezüglich der Rauheitskennwerte Ra (Mittenrauhwert) und RPc (Spitzenzahl) gefordert.
Die Einstellung der Oberflächentopographie erfolgt bei elek-
Galvanising of flat steel products in combination with further coatings and paints offers excellent corrosion protection
for a wide variety of applications. Electrolytically galvanised
sheet materials stand out for their very good formability and
paintability, and are therefore used for applications such as
the outer skin of car bodies. The stated processing properties
are essentially influenced by the surface topography. As
a result, the automotive specifications for sheet materials
define very close tolerances for the roughness characteristics
Ra (average peak-to-valley height) and RPc (peak count). In
the case of electrolytically zinc-coated sheet material, the
adjustment of surface topography is done during temper
94
trolytisch verzinkten Feinblechen im Dressierprozess vor der
eigentlichen Beschichtung. Das ist durch die gute Abbildung
der Ausgangstopografie nach dem elektrolytischen Verzinken
möglich. In einigen Fällen führt der Beschichtungsprozess
jedoch zu nicht erklärbaren Veränderungen der Oberflächentopografie. Bezogen auf die Rauheitskennwerte Ra und
RPc kann es sowohl zu einer Erhöhung, wie auch zu einer
Erniedrigung der Kennwerte kommen. Damit verbunden
sind nicht erwünschte Abwertungen bzw. Nacharbeiten.
Ziel des zusammen mit drei Stahlherstellern durchgeführten Projektes war die Erweiterung des Kenntnisstandes
zu den Mechanismen der Topografieveränderung sowie
die Erstellung von Modellen zur präziseren Vorhersage
der Rauheitsänderung.
Basierend auf bestehenden theoretischen Ansätzen, Simulationsrechnungen, experimentellen Untersuchungen in
Laborunterlagen sowie der statistischen Bewertungen von Ergebnissen aus drei unterschiedlichen Produktionsanlagen wurden die Einflussgrößen auf die Rauheitsänderung untersucht.
Betrachtet wurden übliche Oberflächentopografien (PRETEX®,
EDT und EBT) in dem für die Anwendung in der Automobilindustrie (Außenhautteile) typischen Rauheitsbereich. Ein
wesentlicher methodischer Ansatz bestand in der ortsgleichen
dreidimensionalen topografischen Vermessung und Bewertung von unbeschichteten und verzinkten Feinblechproben.
Bild 66a zeigt beispielhaft eine ortsgleich vermessene Probe
im unbeschichteten und beschichteten Zustand.
Mit einem umfangreichen experimentellen Programm
wurden die Einflüsse von Werkstoff, Elektrolytzusammensetzung, Vorbehandlung, Prozessparametern und Ausgangstopografie auf die Topografieveränderung in einem
weiten Parameterbereich analysiert. Zur Ermittlung des
Topografieeinflusses wurden neben dem Mittenrauwert Ra
und der Spitzenzahl RPc Amplitudenkennwerte nach ISO
4287, Parameter der Traganteilkurve und laterale Kenngrößen betrachtet.
rolling, before the actual coating process. This is possible
because of the good conformance with the starting topography achieved with electrolytic zinc deposition. In some
cases, however, the coating process leads to inexplicable
changes in surface topography. The roughness characteristics Ra and RPc can turn out either higher or lower. This
results in undesirable quality downgrading or reworking.
The aim of the project conducted with three steel producers was to expand the knowledge of the mechanisms
involved in topographical changes and the elaboration of
models for more precise prediction of roughness changes.
The factors influencing changes in roughness were investigated based on existing theoretical approaches, simulation
calculations, experimental studies in the laboratory and
statistical evaluations of the results from three different
production facilities. Considered in these studies were the
common surface topographies (PRETEX®, EDT and EBT)
in the roughness ranges typical for applications in the
automotive industry. One major methodological approach
was three-dimensional topographical measurement and
assessment of the same locus on uncoated and on zinc-coated samples of steel sheet. Fig. 66a shows an example of
a specimen measured at the same locus in the uncoated
and coated condition.
An extensive experimental programme was conducted to
analyse the effects on the topography change brought about
by varying the material, electrolyte composition, pretreatment, process parameters and starting topographies over
a wide range of parameters. To determine the topography
influence, factors considered besides the average peak-tovalley height Ra and the peak count RPc were amplitude
characteristics according to ISO 4287, parameters of the
Abbott curve, and lateral characteristics.
A simulation model was prepared to determine the influence of geometric effects (build-up of the zinc layer
66a Ortsgleich, dreidimensional vermessene Probe (unbeschichtet und beschichtet, konfokal gemessen)
Same site, three-dimensionally measured sample (uncoated and coated, confocally measured)
95
Zur Ermittlung des Einflusses geometrischer Effekte
(Aufwachsen der Zinkschicht normal zum lokalen Oberflächenelement) wurde ein Simulationsmodell erstellt.
Im Ergebnis der Simulationsrechnungen wurde ein nur
geringer Einfluss geometrisch bedingter Effekte auf die
Rauheitsänderung ermittelt.
Basierend auf physikalischen Ansätzen, Simulationsund Regressionsrechnungen wurde ein Modell zur Beschreibung der Rauheitsänderung erarbeitet.
Der Einfluss von Prozessparametern (Stromdichte, Strömungsgeschwindigkeit) kann gut mit der dimensionslosen Kennzahl i/ilim beschrieben werden. Bild 66b zeigt
beispielhaft den Einfluss der dimensionslosen Kennzahl
i/ilim auf die Rauheitsänderung für Laboruntersuchungen.
Die Analyse der im Produktionsprozess ermittelten Ergebnisse erfolgte mit statistischen Methoden. Bei zwei von
drei Datensätzen konnte mit einem aufgestellten multiplen
linearen Regressionsmodell eine gute Korrelation erreicht
werden.
perpendicular to the local surface element). The simulation
calculations revealed that geometric effects has only little
influence on the change in roughness.
Based on the physical approaches, simulation and regression calculations, a model was developed to describe
the changes in roughness.
The influence of process parameters (current density,
flow velocity) can be well described by the dimensionless
number i/ilim. Fig. 66b shows an example of the influence
of the dimensionless number i/ilim on the change in roughness in laboratory studies.
The analysis of the results obtained from the production process was performed using statistical methods. For
two out of three data records, a proposed multiple linear
regression model achieved good correlation.
In addition to the geometrically-related filling of the
valleys, an additional levelling process was identified. Further research is needed here.
Neben dem geometrisch bedingten Verfüllen der Täler
wurde ein zusätzlicher Einebnungsprozess identifiziert.
Hier besteht weiterer Forschungsbedarf.
Energie- und ressourceneffiziente
elektrolytische Verzinkung von Stahlbändern
zinc-coating of steel coils
Obgleich die elektrolytische Bandverzinkung einige Vorzüge
– z.B. hinsichtlich des optischen Erscheinungsbildes der lackierten Bleche und der hohen Flexibilität der Anlagen – gegenüber
der Feuerverzinkung aufweist, hat der Anteil der elektrolytisch
verzinkten Bleche an der Gesamtmenge verzinkter Bleche in
den letzten Jahren stetig abgenommen. Ein wesentlicher Grund
Although electrolytic zinc-coating of coils presents several advantages over hot-dip galvanising – e.g. regarding
the visual appearance of the painted sheet material and
the high flexibility of the plant – the proportion of electrolytically treated coils has steadily reduced over recent
years relative to the overall volume of zinc-coated coils.
66b Einfluss der dimensionslosen Kennzahl i/ilim auf die Rauheitsänderung
Influence of the dimensionless number i/ilim on the roughness change
96
hierfür ist der hohe elektrische Energieaufwand für die elektrolytische Bandbeschichtung und den damit verbundenen
Kosten. Aufgrund der relativ geringen Elektrolytleitfähigkeit
wird derzeit etwa 63 % der für die elektrolytische Verzinkung
benötigten Energie für die Ohmsche Verlustleistung im Elektrolytspalt zwischen Anode und Band aufgewendet und geht
damit als Joulesche Wärme ungenutzt verloren.
One major reason for this is the high energy demand for
electrolytic coil coating and the related costs. Because of
the relatively low conductivity of the electrolyte, about
63% of the energy required for electrolytic zinc coating
is accounted for by the Ohmic voltage drop across the
electrolyte gap between the anode and the strip material,
resulting in energy being dissipated unused as Joulean heat.
Mit einem Zinkpreis von ca. 2.000 €/t stellt auch der
Rohstoff einen erheblichen Kostenfaktor für die Bandverzinkung dar. Große Mengen zinkhaltiger Oberschlacken fallen als Reststoff bei der Feuerverzinkung von Stahlbändern
an, womit ein beträchtlicher Teil des Zinkbedarfs für die
elektrolytische Bandverzinkung gedeckt werden könnte.
At a zinc price of approx. 2,000 €/t, the raw material is
also a considerable cost factor in coil coating. Large volumes of zinc-bearing dross are generated during hot-dip
galvanising of steel coils, which might possibly meet a large
part of the zinc requirement for electrolytic coil coating.
Im Rahmen des Projektes soll untersucht werden, ob
zinkhaltige Oberschlacken für die elektrolytische Verzinkung genutzt werden können (siehe Bild 67 ). Ein notwendiger Verfahrensschritt ist dabei die Entfernung des in den
Oberschlacken enthaltenen Aluminiums und Eisens aus dem
Elektrolytkreislauf. Vorgesehen ist hierfür eine Fällung dieser
Elemente als Hydroxide und eine anschließende Abtrennung
durch Filtration.
Wesentliche Energieeinsparungen können erzielt werden, in dem die Leitfähigkeit der Elektrolytbäder erhöht
wird. Am Betriebsforschungsinstitut wurde eine Optimierung der Elektrolytleitfähigkeit mit statistischen Methoden
(DoE, Design of Experiment) vorgenommen. Neben den
Haupteinflussgrößen Temperatur, pH-Wert, Zink- und
Leitsalzkonzentration wurde der Einfluss eines alternativen
Zinkelektrolyten und Leitsalzes sowie von Oberschlackenbegleitelementen (Aluminium, Magnesium, Eisen) auf die
Leitfähigkeit untersucht.
The project will investigate whether the zinc-bearing
top dross can be utilised for electrolytic coil coating (see
Fig. 67 ). One necessary process step is the removal of the
aluminium and iron contained in the top dross to keep
them out of the electrolyte circuit. The intention is to precipitate out these elements as hydroxides and then separate
them out by filtration.
Major energy savings could be achieved by increasing
the conductivity of the electrolyte baths. At BFI, work to
optimise the electrolyte conductivity has been performed
using statistical methods (DoE, design of experiment). In
addition to the main influencing variables of temperature,
pH, zinc and conductive salt concentration, the effects
of an alternative zinc electrolyte and conductive salt as
well as those of the top dross tramp elements (aluminium,
magnesium, iron) on the conductivity are being studied.
67 Angestrebte Substitution des in der elektrolytischen Bandverzinkung eingesetzten Rohstoffs Zink durch Oberschlacken aus der Feuerverzinkung
Desired substitution of zinc feedstock in electrolytic zinc coating of coil by utilising top dross from hot dip galvanising
97
Schneidtechnik für hochverschleißendes
Bahnenmaterial
Kreismesser in Schneidsystemen zum Schneiden von
Bahnen unterliegen einem sehr hohen Verschleiß. Dies
führt zu einer geringen Standzeit, zu Qualitätsminderung
sowie zu hohen Betriebs- und Instandhaltungskosten.
In dem laufenden Projekt sollen die Voraussetzungen
für ein dauerhaft scharfes Schneiden von Bahnenmaterial
erarbeitet werden.
Das Ziel soll durch die Entwicklung eines neuartigen
Wärmebehandlungsverfahrens mit integriertem Tief kühlprozess und einer Oberflächenmodifikation im Bereich der
Messerschneidkante zur Erhöhung der Leistungsfähigkeit der
Kreismesser, die Optimierung des Schnittprozesses auf Basis
einer vertieften Analyse der Verschleißvorgänge am Messer
und die Entwicklung eines adaptiven Regelungskonzeptes zur
inline Nachjustierung der Messer mit einer dazugehörigen
innovativen schnellen Sensorik erreicht werden. Wesentlicher Arbeitsschwerpunkt des BFI ist die Bewertung des
Verschleißverhaltens der Kreismesser.
Im Einzelnen werden folgende Schwerpunkte durch das
BFI bearbeitet: Schadensanalyse an verschlissenen Messern,
Erarbeitung eines Mess- und Auswerteverfahrens zur Analyse des Verschleißzustands von Kreismessern, Analyse des
Schädigungsverlaufs über die Einsatzdauer, Identifizierung
der relevanten Verschleißmechanismen, Ermittlung von
Bewertungskriterien zur Analyse des Verschleißzustandes von Kreismessern (Verschleißmarken, Änderung der
Schneidgeometrie, Oberflächenveränderungen), Analyse
des Einlaufverschleißes bei unterschiedlichen Prozessparametern, Zusammenhang Einlaufverschleiß – Lebensdauer
/ Schnittqualität sowie Erarbeitung einer Methodik zur
Verschleißprognose.
Im Bild 68 sind beispielhaft Ausgangszustand und verschlissener Zustand von Schneidmessern (konfokal gemessen, 5*5 mm²) dargestellt.
technology for highly abrasive web material
The blades in cutting systems used to cut web material
have very high wear rates. This reduces tool life, decreases
the quality, and leads to high operating and maintenance
costs.
The ongoing project seeks to establish the prerequisites
for consistently sharp cutting of web material.
This aim will be achieved by developing a new kind
of heat treatment process with an integrated cryogenic
step, as well as by modifying the surface in the region of
the cutting edge in order to increase the performance of
circular cutters, optimising the cutting process (blade geometry, cutting edge geometry, process parameters) based
on an in-depth analysis of cutter wear processes and the
development of an adaptive control concept for inline
re-adjustment of the blade’s cutting edge geometry with
the help of associated innovative fast sensor technology.
The main focus of work at BFI is the evaluation of wear
behaviour of the cutting disks.
This breaks down to the following tasks to be performed
at BFI: Damage analysis on worn cutters, elaboration of
a measuring and evaluation method for analysis of the
wear status of circular cutters, analysis of the damage
progression over the period of use, identification of the
relevant wear mechanisms, determination of assessment
criteria for analysing the wear status of circular cutters
(wear marks, changes in cutting edge geometry, surface
changes), analysis of the running-in wear for different process parameters, relationship between running-in wear and
service life / cutting quality, and development of a method
for predicting wear.
Fig. 68 shows an example of the starting condition and
the worn condition of cutter blades (measured confocally,
5*5 mm²).
Erarbeitung einer Normvorlage zur
einheitlichen Bewertung des Einflusses der
Welligkeit in der Feinblechoberfläche auf die
Ausbildung der Decklackverlaufstruktur
sheet metal surface on the formation of
waviness in the top coat
An die Oberflächenqualität von kaltgewalztem Band
werden insbesondere von der Automobilindustrie hohe Anforderungen im Hinblick auf eine definierte Oberflächentopographie gestellt. Bezüglich des Tiefziehverhaltens und
der Lackiereignung wird die Struktur von Feinblechoberflächen für die weiterverarbeitende Industrie nach STAHL-EISEN-Prüf blatt 1940 (1. Ausgabe, Januar 1992; inzwischen
ersetzt durch ISO 12085) durch den Mittenrauhwert Ra
High demands are made on the surface quality of cold
rolled strip which is expected to have a defined topography, particularly for automotive industry applications.
Regarding deep drawability and paintability, the structure
of the sheet metal surface is sufficiently well characterised
for the downstream processing industries according to the
SEP 1940 standard (1st issue, January 1992, meantime replaced by ISO 12085) by the average roughness height Ra
98
(λc = 2,5 mm) und die Spitzenzahl RPc (Schnittlinien +/- 0,5
µm) hinreichend gekennzeichnet.
(λc = 2.5 mm) and the peak count RPc (intersections +/0.5 µm).
Die Verlaufstruktur des Decklacks (sogenannte „Orangenhaut“) wird neben dem verwendeten Lacksystem (KTL, Füller,
Decklack) und der Applikationstechnik auch von der Welligkeit der Feinblechoberfläche beeinflusst. Über Art und Umfang dieses Einflusses bestehen erhebliche Unsicherheiten.
Waviness in the top coat (known as the „orange peel
effect“) is influenced not only by the paint system used
(cathodic electrocoat, filler, top coat) and the application
technology, but also by waviness in the sheet metal surface.
There is a great deal of uncertainty concerning the type
and extent of this influence.
Ziel des Vorhabens ist die Entwicklung eines einheitlichen
Mess- und Berechnungsverfahrens sowie der notwendigen
Kennwerte zur Bewertung des Einflusses längerwelliger
Strukturanteile der Oberflächentopografie von Feinblechen auf die Ausbildung der Decklackverlaufstruktur. Das
öffentlich geförderte Vorhaben wird unter Leitung des BFI
zusammen mit ungeförderten Vertretern der Stahlindustrie,
der Automobilindustrie, Herstellern von Automobillacken
und Messgeräteherstellern durchgeführt. Im Ergebnis sollen wesentliche Grundlagen für eine Normung erarbeitet
werden. Mit dem Konsortium ist neben dem bestehenden
Knowhow ein hohes Maß an Akzeptanz der erarbeiteten
Lösung verbunden.
Basierend auf früheren Vorhaben erfolgte eine umfangreiche Analyse des Einflusses der Feinblechwelligkeit von
aktuellen Oberflächentopografien (EDT, EBT und PRETEX®)
auf den Lackverlauf. Neben Standard-Lacksystemen werden
insbesondere füllerlose Lackauf bauten analysiert. Über alle
Lackstufen erfolgt eine Bewertung der Oberflächentopografie. Der Bewertung der Decklackqualität erfolgt neben der
topografischen Vermessung mit dem WaveScan-Verfahren
The aim of the project is to develop a harmonised measuring and calculation method as well as the necessary
parameters for assessing the influence of the long-wave
structural components in the surface topography of sheet
metal on the formation of top coat waviness. The project
is led by BFI, financed through public funding, and is being conducted together with non-funded representatives
of the steel and automotive industries, manufacturers of
automotive paints and measuring instruments. The results
should provide the fundamentals for drafting a standard.
The consortium not only brings extensive expertise to the
project but also a high level of acceptance for the solution
to be delivered.
Based on previous projects, a comprehensive analysis of
the effect of sheet metal waviness of current surface topographies (EDT, EBT and PRETEX®) on top coat appearance was
performed. In addition to standard painting systems, the
analysis focused especially on filler-less paint systems. The
surface topography was assessed at each stage in the painting
process. The assessment of top coat quality is performed
68 Vergleich Ausgangszustand – Gebraucht der Schneidkante eines Schneidmessers (konfokal gemessen, 5 · 5 mm²): a) Neuzustand Fläche,
b) Verschlissen Fläche, c) Neuzustand Linie, d) Verschlissen Linie
Comparison between initial and worn condition of the cutting edge of a cutter blade for the paper industry (confocally measured,
5 · 5 mm²): a) Initial condition surface area, b) Worn condition surface area, c) Initial condition line, d) Worn condition line
99
sowie visuell. Im Einzelnen wurden und werden folgende
Arbeiten durch das BFI realisiert: Ermittlung der Topografieveränderung über den Lackierprozess, Ermittlung des Einflusses der Feinblechwelligkeit auf den Lackverlauf (unterschiedliche Lacksysteme), Vergleich bestehender Kenngrößen
zur Beschreibung der Feinblechwelligkeit, Ermittlung des
Einflusses von Messsystem und Messbedingung auf den Welligkeitskennwert, Einfluss der Umformung auf die Feinblechwelligkeit, Definition einer Mess- und Auswertevorschrift
sowie eines einheitlichen Kennwertes zur Beschreibung der
Feinblechwelligkeit.
both by topographical measurement using the WaveScan
method and by visual assessment. The following tasks have
been and will be performed by BFI: Determination of topographical changes over the course of the painting process,
determination of the influence of sheet metal waviness on
the paint appearance (different paint systems), comparison
of existing parameters to describe sheet metal waviness,
determination of the influence of measuring instruments
and measuring conditions on the waviness parameter, influence of forming on sheet metal waviness, definition of a
measuring and assessment specification and of a harmonised
characterising parameter to describe sheet metal waviness.
Die Untersuchungen basieren auf einem umfangreichen
Probensatz, der durch die Stahlindustrie zur Verfügung
gestellt wurde.
The studies are based on an extensive set of samples
provided by the steel industry.
Bild 69 zeigt exemplarisch die Veränderung der Welligkeit über die unterschiedlichen Lackierstufen im Wellenlängenbereich λ = 1 – 5 mm (Wsa(1-5)-Wert). Bei allen Proben ist eine Verringerung der Welligkeit bis zur
Füllerschicht zu erkennen. Bei Feinblechen mit geringer
Welligkeit wurde bezogen auf den Füllerwert teilweise
eine Erhöhung ermittelt.
Fig. 69 shows an example of the change in waviness
across the different painting stages in the wave length range
λ = 1 – 5 mm (Wsa(1-5) value). In all samples, it was noted
that the waviness decreases up to the filler layer. For sheet
metal with a low degree of waviness, some instances of
an increase in waviness after application of the filler was
found.
Erste Analysen zeigen insbesondere bei hohen Feinblechwelligkeiten einen Einfluss auf den Lackverlauf
(WaveScan-Wert). Lacksystem und Applikation haben
ebenfalls einen signifikanten Einfluss. Durchgeführte
Spektralanalysen (Fast-Fourier-Transformation) ergaben
bei vertikalen Lackapplikationen eine Zunahme der signifikanten Wellenlängen bei der Füller- und Decklackschicht.
The first analyses show that especially a high degree
of sheet metal waviness does have an influence on the
paint appearance (WaveScan value). The paint system and
application method also have a significant influence. The
spectral analyses (Fast Fourier Transformation) performed
show that for vertically applied paint there was an increase
in the significant wave lengths in the filler coat and top coat.
69 Veränderung der Welligkeit über die unterschiedlichen Lackierstufen im Wellenlängenbereich λ = 1 – 5 mm (Wsa(1-5)-Wert)
Changing of waviness over different painting steps in the wavelength range of λ = 1 – 5 mm (Wsa(1-5) value)
100
Mess- und Automatisierungtechnik
Mess- und Prüftechnik
Measuring and Testing Techniques
Online Bestimmung von Temperatur und Kohlenstoffgehalt von Stahlschmelzen im Elektrolichtbogenofen
Online determination of temperature and carbon
content of steel melts in electric arc furnaces
102
Spülsteinüberwachung
Stirring plug monitoring
103
Abschlacküberwachung
improve the yield and quality of steel
104
Hochdynamische kontinuierliche in situ Temperaturmessung von Stahlschmelzen
measurement in steel melts
105
Kontinuierliche Überwachung der Kokillenwandtemperatur
Continuous monitoring of mould wall
temperature
106
oberflächennahen Fehlern an heißen Brammen
flaws in hot slabs
107
Entwicklung eines Qualitätsüberwachungssystems
basierend auf der Detektion von Oberflächen- und
Innenfehlern an kalten Drähten bzw. Stangen
Development of a quality monitoring system
based on detection of surface and internal defects
in cold wire and bar stock
107
Mess- und Automatisierungstechnik | Measurement and Automation
Mess- und Prüftechnik · Measuring and Testing Techniques
Online Bestimmung von Temperatur und
Kohlenstoffgehalt von Stahlschmelzen im
Elektrolichtbogenofen
Online determination of temperature and
carbon content of steel melts in electric arc
furnaces
Aus Kostengründen werden in der Elektrostahlerzeugung
zunehmend minderwertige Schrottqualitäten eingesetzt.
Dies beeinflusst allerdings das metallische Ausbringen und
den spezifischen Energieverbrauch. Daher befasst sich ein
europäisches Forschungsvorhaben mit der Optimierung der
Endpunktbestimmung bei der Stahlerzeugung im Elektrolichtbogenofen. Hierzu werden kontinuierliche Messungen
der Schmelzentemperatur in inhomogen Schmelzen durchgeführt und ein neues Messverfahren zur Bestimmung des
C-Gehaltes entwickelt.
For cost reasons, an increasing amount of low-grade
scrap is being used in electric steelmaking. However, this
has an effect on the metallic yield and the specific energy
consumption. For this reason, a European research project
is aiming to optimise the end point determination for steelmaking in EAF furnaces. To do this, the melt temperature
in inhomogeneous melts is measured continuously and a
new measuring method is being developed to determine
the C content.
Die Messungen basieren auf der BFI-DynTemp® -Technik,
bei der ein verzehrender Lichtwellenleiter in die Schmelze
eingespult wird. Diese Methode der Temperaturmessung
vereint die Vorteile einer guten Genauigkeit und hohen Dynamik mit der einer kontinuierlichen Messung. Mit dieser
faseroptischen Technik konnte z.B. die Homogenisierung
der Schmelzentemperatur nach einer Pfannenofenbehandlung verfolgt werden (Bild 70 ).
In dem laufenden Projekt wird der Zugang des Lichtwellenleiters zur Schmelze im Elektrolichtbogenofen über
das Prozessgassystem durch eine Bodendüse erprobt. Dies
erlaubt präzise Messungen der Schmelzbadtemperatur
auch während des Lichtbogenbetriebs. Die Messposition
am Boden des Gefäßes liegt an einem Ort, der nicht direkt
durch den Lichtbogen geheizt wird. Um eine möglichst
hohe Verfügbarkeit der Düse zu erzielen, wird eine sauerstoff blasende Bodendüse verwendet, die während der
The measurements are based on the BFI-DynTemp®
technology, which involves feeding a consumable optical
fibre into the melt. This method combines the advantages
of good accuracy and high dynamics with that of continuous measurement. With the fibre-optical technology it has
been possible, for example, to track the homogenisation
of the melt temperature after treatment in a ladle furnace
(Fig. 70 ).
The current project is testing the feeding of the optical
fibre into the melt in the EAF furnace via the process gas
system through a nozzle in the bottom of the furnace. This
will allow precise measurement of the melt bath temperature during EAF operation. The measuring position at the
bottom of vessel located at a place which is not directly
heated by the electric arc. In order to achieve the highest
possible availability of the nozzle an oxygen tuyere is being
used that can be switched over to inert gas mode during
the measurement. In addition to this, a method for deter-
70 Homogenisierung der Temperatur einer Stahlschmelze nach Abschalten des Pfannenofens bei versuchsweise abgeschalteter Inertgasspülung
Homogenisation of temperature in a steel melt after switching off the ladle furnace in a test with deactivated inert gas stirring
102
Messung auf Inertgasbetrieb umgeschaltet werden kann.
Darüber hinaus soll eine Methode zur Bestimmung des
Kohlenstoff-Gehaltes aus thermischen Schmelzenspektren erprobt werden. Die Spektren enthalten schwache
Signaturen der Eisenbegleitelemente, die mit Hilfe einer
multivariaten Spektralanalyse ausgewertet werden.
Die Reproduzierbarkeit der Messmethoden wird über
den Vergleich mit Berechnungen eines dynamischen Massen- und Energiebilanzmodells für den Lichtbogenofen geprüft. Umgekehrt sollen die kontinuierlich bereitgestellten
Messinformationen dazu dienen, den Detaillierungsgrad
und damit die Genauigkeit der Modellrechnungen und
ihre Anwendbarkeit zur Endpunktkontrolle zu verbessern.
mining the carbon content from thermal melt spectra is to
be tested. The spectra contain weak signatures of elements
accompanying the iron, which can then be evaluated with
the help of multivariate spectral analysis.
The reproducibility of the measuring methods is to be
verified by comparison with calculations performed in
a dynamic mass and energy balance model for the EAF
furnace. Conversely, the continuously supplied measuring
information will help to improve the degree of detail and
hence the accuracy of the model computations and their
applicability for end point monitoring.
herbert.koechner@bfi.de
Spülsteinüberwachung
Stirring plug monitoring
Sicheres Anspülen und der zuverlässige Betrieb der
Spülsteine bestimmen entscheidend die erfolgreiche Behandlung in vielen Prozessen der Sekundärmetallurgie.
Das BFI entwickelt ein online Überwachungssystem für
Spülsteine in Stahlwerkspfannen, um deren sichere Funktion während des Spülens zu bestimmen und ihre Verfügbarkeit vorherzusagen. Aktuelle Informationen helfen, ein
Versagen des Spülsteins zu vermeiden und ermöglichen
so akkurate Spülvorgänge und somit eine sichere metallurgische Behandlung.
Safe initiation of gas stirring and the reliable operation
of the stirring plug play a key role in assuring successful
treatment in many secondary metallurgy processes. BFI is
developing an online monitoring system for stirring plugs
in steelmaking ladles in order to determine whether they
are functioning reliably during stirring and to predict their
availability. Having up-to-date information helps to avoid
failure of the stirring plug, which in turn allows accurate
stirring processes and reliable metallurgical treatment.
Das BFI verwendet numerische Simulationen, um Temperaturverteilungen in Spülsteinen zu berechnen und den
Einfluss des Spülgasvolumenstroms auf die Temperaturent-
BFI uses numerical simulation in order to calculate the
temperature distribution in stirring plugs and to determine
the effect of the stirring gas flow on the temperature progression during different secondary metallurgy processes.
71 Temperaturverteilungen für einen Spülstein während eines starken Spülvorgangs mit hohem Spülgasvolumenstrom (a) und während eines schwachen Spülvorgangs mit niedrigem Volumenstrom nach Wiederaufwärmen des Spülsteins (b)
Temperature distributions for a stirring plug during a high-intensity stirring operation with a high volumetric flow of stirring gas (a) and
during a low-intensity operation with a low gas flow rate after reheating of the stirring plug (b).
103
wicklung während verschiedener sekundärmetallurgischer
Prozesse zu ermitteln. Bild 71 zeigt beispielhaft die Temperaturverteilungen für einen Spülstein während eines
starken Spülvorgangs mit hohem Spülgasvolumenstrom (a)
und während eines schwachen Spülvorgangs mit niedrigem
Volumenstrom nach Wiederaufwärmen des Spülsteins (b).
Die Temperaturen im Feuerfestmaterial des Spülsteins nehmen ab, wenn Spülgas durch die Schlitze strömt, wobei der
Temperaturabfall von Spülgasdurchfluss und auch Spüldauer beeinflusst wird. Mit diesen numerischen Simulationen
werden auch Temperaturverteilungen in Spülsteinen mit
Verschleiß und während Blockaden des Spülsteins berechnet.
Fig. 71 shows an example of the temperature distributions for a stirring plug during a high-intensity stirring
operation with a high volumetric flow of stirring gas (a)
and during a low-intensity operation with a low gas flow
after reheating of the stirring plug (b). The temperatures
in the refractory material of the stirring plug decrease
when stirring gas flows through the slots, the temperature
drop being influenced by the stirring gas flow rate and the
duration of stirring. These numerical simulations are also
used to calculate the temperature distributions in stirring
plugs showing signs of wear and during blockages of the
stirring plugs.
Basierend auf einem BFI-Patent kann durch ein spezielles
auf thermoelektrischer Sensorik basierendes Messsystem
unter Verwendung der aktuellen Temperatur im Spülstein
und den Simulationsergebnissen der effektiven Spülgasvolumenstrom ermittelt werden, der auf die Wirksamkeit
des Spülsteins hindeutet.
With patented BFI technology, the effective stirring gas
flow rate, which gives an indication of the effectiveness of
the stirring plug, can be determined by a special measuring system based on thermoelectric sensors and using the
current temperature in the stirring plug and the results
of the simulation.
Abschlacküberwachung
improve the yield and quality of steel
Die Durchführung vieler sekundärmetallurgischer Arbeiten wird durch den Zustand der Schlacke beeinflusst.
Um eine optimale Produktqualität zu erzielen ist deshalb
in einigen Fällen ein Entfernen bzw. Austauschen der
Pfannenschlacke notwendig. Deshalb hat das BFI eine online Abschlacküberwachung entwickelt (Bild 72 ), um den
Stahlwerksmitarbeitern durch eine objektive Bewertung
des Abschlackprozesses und zusätzliche Informationen
zu unterstützen.
The performance of many metallurgical operations is
significantly influenced by the condition of the slag. In
some cases, slag has to be removed as far as possible or
replaced to achieve optimal product quality. To support
the operator with an objective evaluation and additional
information, BFI has developed an online monitoring system for the deslagging process (Fig. 72 ).
72 Stahlgießpfanne während des Abschlackens und graphische Benutzeroberfläche der BFI-Abschlacküberwachung.
Steel ladle during a deslagging operation and graphical user interface of the monitoring system developed by BFI
104
Die Abschlacküberwachung besteht aus einem bildgebenden System und einer spezifischen bildverarbeitenden
Software. Die Abschlacküberwachung erkennt automatisch
die Ankunft einer Pfanne sowie die Position und Größe der
Schmelzbadoberfläche im Bild. Die Software unterscheidet
zuverlässig zwischen Schlacke und Spülfleck und schätzt
die Menge der auf der Schmelzbadoberfläche verbleibenden
Schlacke ab. Eine grafische Benutzeroberfläche (Einleger
in Bild 72 ) gibt den Stahlwerksmitarbeitern ein Livebild
der Schmelzbadoberfläche, die Größe der Schlackenfläche
aktuell und im Verlauf sowie eine Abschätzung der aktuellen Schlackenmenge. Zusätzlich wird der Stahlwerksmitarbeiter darauf hingewiesen, wenn Stahl droht abzufließen
oder wenn große Schlackebrocken im Schnabelbereich
entstehen, die das Abschlacken behindern können. In
Kombination mit einer modellbasierten dynamischen
Schlackenbilanzierung erlaubt die Abschlacküberwachung
eine verfeinerte Berechnung einer chargenindividuellen
Empfehlung für die Zugabemenge an Schlackenbildnern.
Durch die Einführung der BFI-Abschlacküberwachung
in einem Elektrostahlwerk mit einem Chargengewicht von
125 t konnte die Menge der nach dem Abschlackprozess
auf der Schmelze verbleibenden Schlacke reduziert sowie
die durchschnittliche Abschlackzeit verkürzt werden.
The deslagging monitoring system consists of an imaging system and specific imaging processing software. The
monitoring system automatically detects an arriving ladle
and the position of the melt bath surface in the images.
The software reliably distinguishes between slag and the
open eye, and estimates the actual slag amount. A graphical user interface (inset in Fig. 72 ) provides the operator
with a live image of the melt bath surface, the size of the
actual and historical slag area as well as an estimation of
the current slag amount. In addition the operator is alerted
if steel threatens to spill or if large slag chunks form in
the vicinity of the spout, which can hinder slag outflow.
Combined with a model-based dynamic slag balance calculation, the deslagging monitoring system allows a more
precise heat-specific recommendation for subsequent addition of slag formers.
The implementation of the BFI monitoring system for
the deslagging process at an electric steel plant led to a
reduction in the average remaining slag amount per heat
and a reduction in deslagging time.
Hochdynamische kontinuierliche in situ
Temperaturmessung von Stahlschmelzen
measurement in steel melts
Bei der Produktion von Gießprodukten ist die genaue
Einstellung der Abstichtemperatur eine wesentliche Voraussetzung für eine wettbewerbsfähige Produktion. Könnte
die Schmelzentemperatur während der letzten Phase des
Aufheizvorganges kontinuierlich mit genügend hoher zeitlicher Auflösung gemessen werden, würde die optimale
Abstichtemperatur sicher erreicht und auf diese Weise die
Produktqualität verbessert, die Produktivität erhöht und
der Energieverbrauch gesenkt werden können.
When producing cast products, the precise adjustment
of the tapping temperature is an essential prerequisite for
competitive production. If the melt temperature could be
measured continuously during the last phase of the heating process with a sufficiently high degree of temporal
resolution, the optimum tapping temperature would be
reliably achieved, thus improving product quality, increasing productivity, and reducing energy usage.
Derzeit werden für das neuartige auf einem verzehrenden Lichtwellenleiter basierten optischen BFI-Temperaturmesssystem DynTemp® langzeitstabile Temperaturmesssonden entwickelt und in die neuartige Messtechnik
integriert. Hierdurch kann den Schmelzbetrieben erstmals
eine kontinuierliche Schmelzentemperaturmesstechnik
zur Verfügung gestellt werden, die den optimalen Abschaltzeitpunktes des Schmelz- bzw. Heizaggregates messtechnisch erfassen kann.
Insbesondere die kontinuierliche online Messung der
wichtigen Führungsgröße Schmelzentemperatur ermöglicht es, den Schmelzprozess energieeffizenter und im
Hinblick auf die Produktqualität sicherer zu steuern. Dies
hilft der deutschen Stahlindustrie, ihren technologischen
Vorsprung weiter auszubauen und die Wettbewerbsfähigkeit dauerhaft zu erhalten.
torsten.lamp@bfi.de
At present, temperature measurement probes with longterm stability are being developed for and integrated into
the innovative optical BFI temperature measuring system
DynTemp® which is based on the use of consumable optical fibres. This will make it possible for the first time to
provide melting shop operators with a continuous melt
temperature measuring technology capable of determining
the optimum time point for switching off the furnace.
In particular, continuous online measurement of the
melt temperature as a key control variable will allow more
energy-efficient control of the melting process and better
steering of product quality. This will help the German steel
industry to expand its technological lead and sustainably
maintain its competitiveness.
torsten.lamp@bfi.de
105
Kontinuierliche Überwachung der
Kokillenwandtemperatur
Continuous monitoring of mould wall
temperature
Die Überwachung der Kokillenwandtemperatur kann
u. a. genutzt werden zur Erkennung von Störungen des
Strangschalenwachstums (Kleber), zur Vermeidung von
Durchbrüchen und zur Beurteilung der Homogenität der
Wärmeabfuhr. Die vom BFI entwickelte Multisensortechnik zur ortsaufgelösten Temperaturmessung bietet wesentliche Vorteile gegenüber der herkömmlichen Thermoelementmessung. Es wurde eine leicht zu bedienende
industrietaugliche Anschlusstechnik entwickelt und in
Betriebsversuchen erprobt. In Bild 73 ist eine Rohrkokille mit 40 Messstellen dargestellt. Durch die innovative
BFI-Verbindungstechnik kann die Kokille durch einfaches
Aus- und Einstecken eines einzigen Steckers gewechselt
werden.
Monitoring of the mould wall temperature can be used,
among other things, to detect disturbances in strand shell
growth (metal sticking to the mould), to avoid powder entrapment, and to assess the homogeneity of heat dissipation. The
technique developed by BFI for spatially resolved temperature
measurements offers the considerable advantages over conventional thermocouple measurements. An easy-to-operate
connection technology fit for industrial use was developed
and has been tested in shop trials. Fig. 73 shows a tubular
mould with 40 measuring points. Thanks to the innovative
BFI connection technology, the mould can be changed simply
by connecting or disconnecting just one single connector.
Die innovative Verbindungstechnik ermöglicht so eine
höhere Messstellendichte bei nahezu freier Positionierung
der Temperaturmessstellen. Dabei tritt keine Beeinflussung durch elektromagnetische Felder auf. Somit kann
die Wirksamkeit der elektromagnetischen Rührer direkt
ermittelt werden. Die hohe Messdynamik von bis zu 100 Hz
erleichtert die Erkennung von Störungen des Strangschalenwachstums (Kleber) und dient so zur Vermeidung von
Durchbrüchen. Die detaillierte Bestimmung der Wärmeabfuhr im Gießspiegelbereich dient der Optimierung der
Gießpulverpraxis. Insgesamt erlaubt die direkte Erfassung
der Homogenität der Wärmeabfuhr die Beurteilung der
Konizität unter verschiedenen Gießbedingungen. Beim
This technology thus enables a very much higher density
of measurement, with almost no restriction in the positioning of the temperature measuring points. Moreover,
the equipment is not affected by electromagnetic fields.
As a result, the effectiveness of the electromagnetic stirrer
can be detected directly. The high measuring dynamic of
up to 100 Hz simplifies detection of disturbances in strand
shell growth (metal sticking to the mould) and thus helps to
avoid powder entrapment. Detailed determination of heat
dissipation in the mould level zone also helps to optimise
casting powder management. Overall, direct sensing of the
homogeneity and heat dissipation permits assessment of the
conicity under different casting conditions. For continuous
casting of round stock, it is also possible to make additional
statements about the location of the strand in the mould.
73 Industrietauglicher Anschluss einer Rohrkokille mit 40 Temperaturmessstellen
Industrially fit connection system for a tubular mould with 40 temperature measuring points
106
Rundstrangguss werden zusätzlich Aussagen über die
Stranglage in der Kokille möglich.
In Kombination mit der bewährten, kostengünstigen
BFI-Messtechnik zur optischen Überwachung der Gießpulverzugabe und der innovativen Strangoberflächentemperaturmessung innerhalb der Sekundärkühlung steht
nun erstmals ein Instrumentarium zur Verfügung, um die
Bedingungen bei der Erstarrung der Strangschale lückenlos
zu erfassen und zu protokollieren.
torsten.lamp@bfi.de
Taken in conjunction with the proven, inexpensive BFI
measuring technology for optical monitoring of casting
powder addition and the innovative strand surface temperature measurement in the secondary cooling zone,
this new monitoring technology completes an array of
instrumentation that makes it possible for the first time
to seamlessly detect and record the conditions during solidification of the strand shell.
torsten.lamp@bfi.de
oberflächennahen Fehlern an heißen Brammen
flaws in hot slabs
In einem erfolgreich abgeschlossenen Forschungsvorhaben
konnte gezeigt werden, dass die berührungslos und zerstörungsfrei arbeitende Phased-Array EMAT-Technik in der Lage
ist, feine Risse an der Oberfläche von Brammen, aber auch
unterhalb der Oberfläche zu detektieren. Aktuell wird in
Zusammenarbeit mit zwei großen Stahlwerken ein Prototypsystem entwickelt, das im Adjustagebereich unter den
dort herrschenden rauen Industriebedingungen einsetzbar
ist. Dieses System bietet den Vorteil, dass es durch Einsatz von
elektromagnetischen Ultraschallprüf köpfen berührungslos
und koppelmittelfrei arbeitet. Zur Ultraschallprüfung werden
spezielle Oberflächenwellen (Rayleighwellen) benutzt, die ein
hohes Fehlernachweisvermögen bieten. Die gesuchten Oberflächen- bzw. oberflächennahen Fehler an Brammen können
auch bei schwierigen Randbedingungen (Oszillationsmarken,
Restzunder) sicher und reproduzierbar detektiert werden.
Um eine hohe Fehlerempfindlichkeit zu erreichen, sollte die
maximale Temperatur am Messort sicher unterhalb der Curie-Temperatur liegen. Je nach Werkstoff des Gießproduktes
können so Brammen mit Oberflächentemperaturen bis zu
ca. 700°C untersucht werden. Die minimal zu detektierende
Fehlerfläche ist von der Oberflächenbeschaffenheit abhängig
und beträgt an typischen Stahlbrammen ca. 4 mm², also z.B.
Risse mit einer Länge von 2 mm und einer Tiefe von 2 mm.
In a successfully completed research project, it was
demonstrated that the non-contacting, non-destructive
phased-array EMAT technique is capable of detecting very
fine cracks not only on the surface but also below the
surface. Currently, the Institute is working together with
two major steel companies to develop a prototype system
that will be capable of operating under the harsh conditions prevailing in the finishing shop. The advantage of
this system is that it is non-contacting and requires no
couplant since it uses electromagnetic ultrasonic probes.
Special surface waves (Rayleigh waves) with a high flaw
detection capability are applied in this ultrasonic inspection
technique. Surface and near-surface defects in slabs can
be detected reliably and reproducibly even under difficult
conditions (oscillation marks, residual scale). To achieve a
high flaw detection sensitivity, the maximum temperature
at the point of measurement should be well within the
Curie temperature. Depending on the material of the cast
product, slabs with a surface temperature of up to approx.
700 °C can be inspected. The minimum detectable flaw size
depends on the surface condition. In typical steel slabs it
is approx. 4 mm², meaning cracks with a length of 2 mm
and a depth of 2 mm.
In dem komplexen Ultraschall-Prüf kopf ist die Sendeund Empfangselektronik integriert. Diese Elektronik ist
in modernster Technik (FPGA, DSP) und kleiner Bauform
ausgeführt und kommuniziert über eine Ethernet-Verbindung mit einem PC, der die detektierten Fehler anschaulich
visualisiert und protokolliert.
The transmitter and receiver electronics are integrated
in the complex ultrasonic probe. The electronics are designed using the latest technology (FPGA, DSP) and are very
compact. They communicate via an Ethernet connection
with a PC which visualises and logs the detected flaws.
Entwicklung eines Qualitätsüberwachungs
systems basierend auf der Detektion von
Oberflächen- und Innenfehlern an kalten
Drähten bzw. Stangen
Development of a quality monitoring system
based on detection of surface and internal
defects in cold wire and bar stock
Im Rahmen eines internationalen Forschungsvorhabens hat das BFI ein neuartiges, industriell einsetzbares
Prüfsystem zur Qualitätsüberwachung an kalten Drähten
entwickelt.
Within the scope of an international research project, BFI has developed an industrially applicable inspection system for monitoring the quality of cold
wire rod.
107
Prozess- und Anlagenautomatisierung · Process and Plant Automation
Dies basiert auf einem neuen EMAT-Ultraschall-Prototypsystem, das die empfindliche, automatische Prüfung
von Drähten und Stäben auf Oberflächen- und Innenfehler
ermöglicht. Es bietet den Vorteil, dass es durch Einsatz von
elektromagnetischen Ultraschallprüf köpfen berührungslos und koppelmittelfrei arbeitet. Zur Ultraschallprüfung
werden spezielle Stabwellen benutzt, die ein hohes Fehlernachweisvermögen bieten. Die minimal zu detektierende
Fehlerfläche ist proportional zur Drahtquerschnittsfläche
(<1/500). In Drähten von beispielsweise 5mm Durchmesser
und damit einer Querschnittsfläche von ca. 20mm² können somit Fehler mit einer Flächenausprägung quer zur
Produktionsrichtung von ca. 0,04mm² gefunden werden.
Aktuell weitergehende Arbeiten zeigen, dass bei Stabprüfungen ein noch besseres Fehlernachweisvermögen erreicht
werden kann.
Das Verfahren ermöglicht eine 100%-Prüfung im Prozess
bei den üblichen Produktionsgeschwindigkeiten, die z.B
beim Ziehen bei ca. 10m/s liegen. Theoretisch sind Prüfungen sogar oberhalb von 100m/s möglich.
108
This is based on a new EMAT ultrasonic prototype system which enables the sensitive, automatic inspection of
wire and rod stock to detect surface and internal flaws.
The advantage of this system is that it is non-contacting
and requires no couplant since it uses electromagnetic
ultrasonic probes. Special waves (bar waves) with a high
flaw detection capability are applied in this ultrasonic inspection technique. The minimum detectable flaw size
is proportional to the wire’s cross-sectional area (<1/500).
In wires with a diameter of 5 mm, for example, which
have a cross-sectional area of approx. 20 mm², it is thus
possible to detect flaws with an orientation transverse to
the production direction of approx. 0.04 mm≤. Current
follow-on work shows that even better flaw detection can
be achieved when inspecting bar stock.
The process allows 100% in-process inspections at the
usual production speeds, which lie in the region of 10 m/s
for drawing. Theoretically, inspections at speeds of over
100 m/s are possible.
Prozess- und Anlagenautomatisierung
Process and Plant Automation
Modellbasierte Schlackenführung für die pfannenmetallurgische Prozessroute
metallurgy process route
110
Modellbasierte stufen-übergreifende Optimierung
der Prozessführung in der Sekundärmetallurgie
process management in secondary metallurgy
111
Entgasungsmodell zur online Beobachtung der
Pfannenstandentgasung
tank degassing
112
nichtrostender Stähle in der VOD-Anlage
Optimale Festigkeitsregelung durch individuelle Einstellung der Kühlstrecke in Warmbandwalzwerken basierend auf Modellprädiktion und
Online-Messung der Festigkeit
Regelkreisen zur Erhöhung der Produktqualität
und Reduzierung des Energieverbrauches (CPM)
Intelligent adaptive process management for
resource-efficient production of high-grade
stainless steels in a VOD plant
adjustment of the cooling line in hot strip rolling
mills based on model prediction and online
strength measurements
Analysis and optimisation of the performance
of control loops to enhance product quality and
reduce energy consumption (CPM)
Planung und Optimierung der Produktion auf der
Basis von dynamischen Prozessmodellen
dynamic process models
115
Prozessstufenübergreifende integrierte
Planheits- und Festigkeitsregelung
Through-process integrated shape and strength
control
116
Kaltwalzprozess
Future-oriented pass scheduling calculation for
the cold rolling process
117
Edelstahlwerke
stainless steel mills
119
113
114
115
Modellbasierte Schlackenführung für die
pfannenmetallurgische Prozessroute
metallurgy process route
Die Prozessführung während der sekundärmetallurgischen Behandlung umfasst eine gezielte Konditionierung
der Pfannenschlacke, um optimale Bedingungen für die
Entschwefelung und das Abscheiden von nichtmetallischen
Einschlüssen zu gewährleisten. Zur online Beobachtung
des aktuellen Gewichts und der Zusammensetzung der
Pfannenschlacke wurde ein dynamisches Bilanzmodell
entwickelt. Die Struktur dieses Modells ist in Bild 74 dargestellt. Basierend auf den relevanten Prozessereignissen
wie die Zugabe von Schlackenbildnern und Desoxidationsmitteln sowie Abschlackvorgängen berechnet das Modell
prozessbegleitend die wesentlichen Schlackenparameter.
Einige Einflussgrößen wie der Mitlaufschlackenmenge bei
Abstich des Primäraggregats, die Restschlacke in der leeren
Pfanne oder der Eintrag durch Feuerfestverschleiß werden
dabei über qualitätsabhängige Modellparameter berücksichtigt. Die Restschlackenmenge nach dem Abschlacken
kann auch über eine kamerabasierte Beobachtung des
Abschlackvorgangs mit nachgeschalteter Bildverarbeitung
abgeschätzt werden.
In secondary metallurgy treatment, process management
comprises targeted conditioning of the ladle slag in order
to ensure optimal conditions for desulphurisation and the
removal of non-metallic inclusions. A dynamic balancing model was developed to allow online observation of
the current weight and composition of the ladle slag. The
structure of this model is illustrated in Fig. 74 . Based on
the relevant process events such as addition of slag formers
and deoxidants and deslagging operations, the model calculates the main slag parameters in-process. Some of the
variables, such as the amount of slag carry-over during
tapping of the primary steelmaking plant, the residual
slag in the empty ladle or material input due to wear of
ladle refractories, are accounted for via quality-dependent
model parameters. The remaining amount of slag after
deslagging can be estimated by means of camera-based
observation of the deslagging operation in combination
with image processing.
Basierend auf der nach dem Abschlacken berechneten
Schlackenmenge und -zusammensetzung werden Sollwerte
für die Schlackenbildnerzugabe berechnet, um die Zielwerte für Menge, Basizität, und Kalksättigungsgrad der
Schlacke einzustellen. Damit kann die Schlacke insbesondere im Hinblick auf ihre Entschwefelungswirkung unter
minimalen Zugabemengen optimal konditioniert werden.
With the slag quantity and composition as computed
after deslagging, set-point values are calculated for the addition of slag formers in order to achieve the target values
for quantity, basicity and lime saturation degree of the slag.
This permits optimal conditioning of the slag, especially
with respect to its desulphurisation capacity, with minimal
addition of slag formers.
bernd.kleimt@bfi.de
bernd.kleimt@bfi.de
74 Struktur eines dynamischen Modells zur Schlackenbilanzierung und -konditionierung
Structure of a dynamic model for slag balance calculation and slag conditioning
110
Modellbasierte stufen-übergreifende
Optimierung der Prozessführung in der
Sekundärmetallurgie
process control in secondary metallurgy
Zur Online-Überwachung und Steuerung entlang der gesamten Prozessroute der Pfannenbehandlung vom Abstich
am Primäraggregat bis zum Beginn des Vergießens wurden
dynamische Modelle der wichtigsten sekundärmetallurgischen Operationen wie Entschwefelung und Entgasung
in ein prozessstufen-übergreifendes Temperaturmodell
integriert.
Dynamic models for the most important secondary metallurgical operations, such as desulphurisation and degassing, have been integrated into an overall through-process
temperature model for online monitoring and control of
the entire process route in ladle treatment, from tapping
at the primary steelmaking furnace to the start of casting.
Zum einen werden auf Basis der Modellrechnungen die
wesentlichen Qualitätsparameter, d.h. die Temperatur und
die Zusammensetzung der Stahlschmelze (insbesondere
hinsichtlich Schwefel-, Stickstoff- und Wasserstoffgehalt)
kontinuierlich beobachtet. Zum anderen erfolgt eine Vorhersage der weiteren Entwicklung dieser Parameter unter
Berücksichtigung der aktuell vorgegebenen Verfahrensvorschriften für die jeweils noch ausstehenden Behandlungsschritte. Basierend auf dieser Vorhersage werden in den
Verfahrensvorschriften variabel definierte Sollwerte für
den elektrischen Energieeintrag, die Entgasungsdauer oder
Schlackenbildnerzugaben schmelzenindividuell berechnet.
Dabei werden iterativ die optimalen Werte für diese Steuergrößen so bestimmt, dass die angestrebte Qualität mit
möglichst geringem Energie- und Materialeinsatz sicher
erreicht wird.
Bild 75 zeigt beispielhaft die Benutzeroberfläche des Systems in einer Implementierung bei einem Elektrostahlwerk
mit Pfannenofen und VD/VOD-Anlage. In der linken Hälfte
Based on model calculations, the key quality parameters (temperature and composition of the steel melt, in
particular the sulphur, nitrogen and hydrogen content)
are continuously observed. In addition, the further evolution of these parameters is predicted while taking into
account the currently set operational practice data for the
treatment steps that are still to be carried out. Based on
this prediction, the target set-points for electrical energy
input, degassing duration or addition of slag formers which
are defined as variables in the pratice data, can be calculated individually for each melt. The optimal values for
these control variables are determined by iteration until
the target quality can be reliably achieved with the least
possible use of energy and material resources.
Figure 75 shows an example of the user interface of
the system in an implementation at an electric steelmaking facility with ladle furnace and VD/VOD plant. The
left half of the screenshot shows the different process phases
in ladle treatment with fixed and optimised set-points for
the relevant operating parameters. The right half shows the
75 Benutzeroberfläche zur stufen-übergreifenden Prozessführung in der Sekundärmetallurgie
User interface for through-process control of secondary metallurgy
111
sind die verschiedenen Prozessphasen der Pfannenbehandlung mit fest vorgegebenen bzw. optimierten Sollwerten
der jeweils relevanten Betriebsparameter dargestellt. Die
rechte Hälfte zeigt den zeitlichen Verlauf der berechneten
aktuellen Stahltemperatur (schwarz) sowie deren Vorausberechnung basierend auf optimierten Sollwerten bis zum
Ende der Pfannenbehandlung (grün).
bernd.kleimt@bfi.de
Entgasungsmodell zur online Beobachtung der
Pfannenstandentgasung
Das dynamische Prozessmodell des BFI zur online Beobachtung des Entgasungsprozesses in der Pfannenstand-Entgasungsanlage wurde an zwei weiteren VD-Anlagen implementiert. Dabei wurde die Komponente des Modells zur
Berechnung der Schmelzentemperatur in ihrer Funktionalität erweitert. So werden nun die thermischen Verluste über einen wassergekühlten Vakuumdeckel sowie das
chemische Heizen über die Zugabe von Aluminium mit
anschließendem Auf blasen von Sauerstoff berücksichtigt.
Bild 76 zeigt exemplarisch die Modellgenauigkeit bezüglich der Berechnung der Schmelzentemperatur für eine
VD-Anlage ohne chemisches Heizen. Die Standardabweichung des Modellfehlers liegt für diese Anlage unter 4 K.
Der Wasserstoffgehalt kann mit einer Genauigkeit von
weniger als 0.3 ppm berechnet werden (siehe Bild 77 ), der
Modellfehler bzgl. des Stickstoffgehalts beträgt etwa 8 ppm.
Neben der online-Prozessbeobachtung dient das Modell
innerhalb einer stufen-übergreifenden Prozessführung
auch zur Vorausberechnung der zu erwartenden Behand-
calculated current steel temperature over time (black) and
the predicted evolution based on the optimised set-points
through to the end of ladle treatment (green).
bernd.kleimt@bfi.de
tank degassing
The dynamic process model of BFI for online observation
of the degassing process in the ladle tank degassing unit was
implemented at two further VD plants. For that purpose,
the functionality of the model component for calculating
the melt temperature was extended. Thermal losses via a
water-cooled vacuum cover are now taken into account, as
is the chemical heating due to the addition of aluminium
with subsequent oxygen blowing. Figure 76 shows, as an
example, the model accuracy regarding the melt temperature calculation for a VD plant without chemical heating.
The standard deviation of the model error is less than 4
K for this plant. The hydrogen content can be calculated
with an accuracy of less than 0.3 ppm (see Fig. 77), while
the model error for the nitrogen content is about 8 ppm.
In addition to online process monitoring, the model
is also part of a through-process control system where it
is used to predict the expected treatment duration in the
VD plant and the related temperature losses. This allows
more precise determination of the energy input required
76 77 Genauigkeit des dynamischen VD-Entgasungsmodells bzgl.
der Schmelzentemperatur
Genauigkeit des dynamischen VD-Entgasungsmodells bzgl.
des Wasserstoffgehalts
Accuracy of the dynamic VD degassing model in terms of melt
temperature
Accuracy of the dynamic VD degassing model in terms of hydrogen content
112
lungsdauer in der VD-Anlage und den damit verbundenen Temperaturverlusten. Damit kann z.B. der in einem
vorgeschalteten Pfannenofen erforderliche Energieeintrag
zur Abdeckung der Temperaturverluste während der Vakuumbehandlung präziser bestimmt werden.
in the upstream ladle furnace to cover the temperature
losses during vacuum treatment.
bernd.kleimt@bfi.de
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nichtrostender Stähle in der VOD-Anlage
Intelligent adaptive process control for
resource-efficient production of high-quality
stainless steels in a VOD plant
Zur Online-Überwachung und Steuerung des VOD-Prozesses wurde ein existierendes thermodynamisches Prozessmodell auf alle relevanten Prozessphasen und metallurgischen Operationen (z.B. Wasserstoffentfernung, Reduktion,
Entschwefelung) erweitert sowie für verschiedene nichtrostende Stahlqualitäten validiert. Im Rahmen der Steuerungsfunktionen dient das Modell zur Vorausberechnung des
Prozessverhaltens unter variierten Prozessbedingungen.
Mit Hilfe geeigneter (z.B. genetischer) Algorithmen und
heuristischer Regeln wird automatisch ein schmelzen-individuelles Fahrdiagramm für die einzelnen Behandlungsschritte des VOD-Prozesses erzeugt. Dies schließt neben
einer optimierten Vorgabe für die Prozessgaszufuhr und
den Gefäßdruck auch eine Optimierung der Zugabemengen
an Legierungs- und Kühlmitteln sowie Reduktionsmitteln
und Schlackenbildnern ein. Dabei können verschiedene
Optimierungskriterien wie maximale Produktivität oder
minimale Kosten für Energie und Einsatzstoffe berücksichtigt werden. Zur Einstellung der Zielwerte für den Schmelzenzustand am Ende der Oxidationsphase und vor Abgabe
der Schmelze an das nachfolgende Behandlungsaggregat
For online monitoring and control of the VOD process,
an existing thermodynamic process model was extended
to cover all relevant process phases and metallurgical operations (e.g. dehydrogenation, reduction, desulphurisation) and validated for a number of stainless steel grades.
Within the control functions, the model serves to predict
the process behaviour under varying process conditions.
With the help of suitable (e.g. genetic) algorithms and
heuristic rules, a melt-specific operating diagram is generated for the different treatment steps in the VOD process.
This includes not only optimised set-points for process
gas supply and the vessel pressure but for the addition
of alloying agents and coolants as well as reductants and
slag formers. Different optimisation criteria can be considered, such as maximum productivity or minimum costs
for energy and input materials. The operating diagram
is dynamically adapted throughout the VOD treatment
in order to adjust the target values for the heat state at
the end of the oxidation phase and before transfer of the
heat to the following treatment plant. Figure 78 illustrates the concept of comprehensive process control with
78 Struktur einer umfassenden dynamischen VOD-Prozessführung
Structure of a comprehensive dynamic VOD process control system
113
wird das Fahrdiagramm während der VOD-Behandlung
fortlaufend dynamisch angepasst. Bild 78 stellt das Konzept einer solchen umfassenden Prozessführung mit dem
Zusammenwirken von dynamischen Modell- und Optimierungsrechnungen für den VOD-Prozess dar.
the interaction of the dynamic model and optimisation
calculations for the VOD process.
bernd.kleimt@bfi.de
bernd.kleimt@bfi.de
Optimale Festigkeitsregelung durch individuelle
Einstellung der Kühlstrecke in
Warmbandwalzwerken basierend auf
Modellprädiktion und Online-Messung der
Festigkeit
adjustment of the cooling line in hot strip
rolling mills based on model prediction and
online strength measurements
Eines der wesentlichen Qualitätsmerkmale von warmgewalztem Stahlband ist ein gleichmäßiger Verlauf der
mechanischen Eigenschaften innerhalb enger Toleranzen
über der gesamten Bandlänge. Traditionell ermittelt man
die Materialeigenschaften anhand von Proben, die vom
Bandanfang und Bandende stammen. Dies ist kostenintensiv und zeitaufwändig. Des Weiteren muss man berücksichtigen, dass sich die mechanischen Eigenschaften
am Bandanfang und -ende von denen im Bandfilet unterscheiden. Ein Grund hierfür ist, dass das Band in der Coilmitte (des aufgewickelten Bandes = Bandfilet), langsamer
abkühlt als an der Oberfläche des aufgewickelten Bandes
(d. h. außen und innen, entspricht dem Bandanfang und
-ende). Folglich kann man die Materialeigenschaften im
Bandfilet nur näherungsweise anhand der Eigenschaften
am Bandanfang und -ende bestimmen.
One of the main quality features of hot-rolled steel strip is
the uniformity of mechanical properties within close tolerances over the entire coil length. Traditionally, the material
properties are determined from samples taken at the coil
head and tail ends. This is both costly and time-consuming. Moreover, it has to be considered that the mechanical
properties at the coil head and tail differ from those in the
coil centre. One reason for this is that the strip cools more
slowly in the coil centre that it does at the coil surface (i.e.
coil head and tail). As a result, the material properties in
the coil centre can only be approximately determined from
the properties at the head and tail.
Die Online-Messung elementarer Materialeigenschaften
(z. B. Festigkeit und Streckgrenze) ermöglicht neue und in-
Online measurement of material properties (e.g. tensile
strength and yield stress) enables new and innovative processes for efficient regularisation and improvement of the
material properties over the entire coil length. To achieve
closer tolerances in material properties over the coil length,
BFI developed a through process tensile strength control.
79 Festigkeitsregelung durch die Optimierung der Kühlstrecken in Warmbandstraßen
Tensile strength control via optimisation of run out table temperature in hot strip mills
114
novative Verfahren zur effizienten Vergleichmäßigung und
Verbesserung der Materialeigenschaften über der gesamten
Bandlänge. Das BFI hat ein prozessstufenübergreifendes
Zugfestigkeitsregelungssystem entwickelt, um engere Toleranzen in den Materialeigenschaften zu erreichen. Das
neue Regelungssystem wurde in das Automatisierungssystem eines Warmwalzwerks integriert und erfolgreich in
Betrieb genommen.
The new tensile strength control system has been integrated into the automation system of a hot strip mill and
successfully put into operation. An optimisation strategy
has been realised, which adapts the cooling temperatures of
the run-out table step by step to assure continuous quality
improvement (Fig. 79 ).
Eine schrittweise lernende Optimierungsstrategie, die
die Kühltrajektorien der Kühlstrecke anpasst, sorgt für eine
kontinuierliche Qualitätsverbesserung (Bild 79 ).
jan.polzer@bfi.de
jan.polzer@bfi.de
Regelkreisen zur Erhöhung der Produktqualität
und Reduzierung des Energieverbrauches (CPM)
Analysis and optimisation of the performance of
control loops to enhance product quality and
reduce energy consumption (CPM)
Das Potential von Produktionsanlagen lässt sich häufig durch optimierte Regelungen erschließen. Dazu bietet sich die fortlaufende Überwachung und Beurteilung
der Performance der eingesetzten Regler an. Durch eine
Parameternachstellung der Basis- und der Prozessregelungen lassen sich als Erfahrungswert zwischen 10 und
30% Verbesserung der Reglergüte erreichen. Auf Basis von
Benchmarks (d.h. optimal eingestellten Regelkreisen) können auch wirtschaftlich abgesicherte Entscheidungen über
die Einführung neuer Reglerstrukturen (z. B. modellprädiktive Regelungen) getroffen werden (Bild 80 ).
The potentials of production equipment can often be
utilized more fully by improving the performance of closedloop control systems. This is best done by continuously
monitoring and assessing the performance of the controllers used. Experience has shown that, by re-adjusting the
parameters in the basic and process control systems, it is
possible to achieve a 10 to 30 % improvement. Benchmarks,
i.e., optimally adjusted control loops, can also be used to
support decisions (including economic ones) regarding the
introduction of new controller structures (e.g., model-predictive control systems) (Fig. 80 ).
Das BFI verfügt über Verfahren und Werkzeuge zur Regelkreisüberwachung, den sogenannten (Control Performance
Monitoring), mit denen die Bewertungen der Regelgüten für
gelieferte Stichproben von Daten ermittelt werden. Daraus
können Vorschläge zur Verbesserung der Reglergüte erarbeitet werden. Mit dieser Vorgehensweise wurden bereits Performanceanalysen von Dicken- und Planheitsregelungen in
Kaltwalztandem- und Dressierstraßen sowie von Temperaturregelungen in Glühlinien und Kühlstrecken durchgeführt. Die
vorgeschlagenen Verbesserungsmaßnahmen wurden schon
zum Teil umgesetzt und führten zu Qualitätserhöhungen
und Energieeinsparungen an den entsprechenden Anlagen.
BFI has methods and tools for control performance monitoring which can be used to evaluate the control performance for selected data samples and derive proposals
for improving the performance of the controllers. This
approach has already been used to conduct performance
analyses on gauge and flatness control systems in tandem
cold rolling and temper rolling mills, as well as on temperature control systems in annealing and cooling lines.
Some of the proposed improvement measures have already
been implemented and have led to quality enhancement
and energy saving at the respective plants.
jan.polzer@bfi.de
jan.polzer@bfi.de
Planung und Optimierung der Produktion auf
der Basis von dynamischen Prozessmodellen
dynamic process models
Heutige Produktionsplanungssysteme (PPS) basieren i.d.R.
auf einer kommerziell zu erwerbenden Standard-Lösung. Bei
vielen Unternehmen führen erweiterte Anforderungen an eine
präzise Produktionsplanung zu eigens entwickelten Individual-Lösungen. Hier stehen insbesondere der Wunsch nach speziellen Produktionsoptimierungen und die Berücksichtigung
der teils komplexen betrieblichen Vorgaben im Vordergrund.
Present-day production planning and control systems
(PPS) are generally acquired as commercial standard solutions. However, these solutions do not always meet all
of a company’s needs, so that dedicated solutions have
to be developed. These focus particularly on specific production optimisation schemes which take into account
the sometimes complex operational priorities. Within an
international project a dynamic process model for real-time
applicable calculations of the thermal state of long products during production has been developed. It delivers an
Im Rahmen eines internationalen Projektes wurde ein
dynamisches Prozessmodell zur echtzeitfähigen Berech-
115
nung des thermischen Zustands von Langprodukten entwickelt. Für komplexe Geometrien profilierter Halbzeuge wird
damit während der Produktion eine verbesserte Aussage
zum Temperaturprofil ermittelt, um die Ziehtemperatur
im vorgelagerten Ofen zu optimieren. Ein weiteres Ziel ist
die Optimierung der Produktion. Mit Hilfe des thermischen
Prozessmodells können verschiedene Produktionsabläufe
simuliert und so die Produktion chargenspezifisch optimiert werden. Für jedes Produkt kann so ein zweidimensionales thermisches Toleranzfenster für jede Position in
der Walzstraße berechnet und die zeitliche Abfolge in der
Walzstraße (Ziehtakt) optimiert werden. Die entwickelten
Berechnungsmodule wurden in ein bestehendes PPS beim
Industriepartner eingebunden und die Produktion konnte
nachhaltig gesteigert werden.
improved statement about the product’s current thermal
profile (for complex geometries of profiled semi-finished
products) which is subsequently used for optimizing the
drop-out temperature of the upstream furnace. Another
main target has been the enhancement of production. By
means of the thermal process model different production
sequences can be simulated and batch-specifically optimized. For each product a two-dimensional thermal tolerance window can be determined for each position within
the rolling mill and hence the temporal behavior of the
rolling mill (discharging cycle) can be adapted.
jan.polzer@bfi.de
jan.polzer@bfi.de
The developed modules have been implemented within
an existing PPS at the industrial partner’s facility and a
sustainable production increase has been achieved.
Prozessstufenübergreifende integrierte
Planheits- und Festigkeitsregelung
Through-process integrated shape and strength
control
Die Anforderungen an Flachprodukte hinsichtlich einer
guten Planheit und gleichmäßigen Materialeigenschaften
sind in den vergangenen Jahren rasant gestiegen. So müssen
bei der Produktion von Stahlbändern Grenzwerte der Planheit und enge Toleranzen in den Materialeigenschaften,
wie beispielsweise die Zugfestigkeit und die Streckgrenze,
eingehalten werden.
The demands made on flat products regarding flatness
and material properties have risen sharply in recent years.
Steel strip must be produced within strict limits for flatness
and close tolerances for material properties such as tensile
and yield strength.
Die Beeinflussung der Planheit und der Materialeigenschaften geschieht in den Prozessstufen an verschiedenen
Stellen. In Abhängigkeit der chemischen Zusammenset-
Both the flatness and the material properties are adjusted
at several points and in different phases of the process. The
mechanical properties, as well as the flatness, are changed
during the rolling process and during thermal treatment
as a function of the chemical composition. For example,
80 Beispiel eines Laufzeitdiagrams aus einem Produktionsplanungssystem mit berechnetem, optimiertem Ziehtakt und realem
Produktionsverlauf
Exemplary runtime diagram of a production planning system with calculated, optimised discharging cycle and current
production progression
116
zung werden die mechanischen Eigenschaften, genauso
wie die Planheit, durch den Walzvorgang und durch die
thermische Behandlung verändert. So wird beispielsweise
mit dem Walzvorgang die Korngröße und mit dem Abkühlvorgang in der Kühlstrecke die Kristallstruktur eingestellt.
Standard-Temperaturtrajektorien zur Einstellung der
Materialeigenschaften führen oft zu großen Planheitsfehlern. Umgekehrt würde eine alleinige Konzentration auf
die Planheit nicht die benötigten Materialeigenschaften
liefern. Ziel des Projektes ist also, eine Temperaturtrajektorie im ZTU-Diagramm zu finden, die gleichzeitig gute
Materialeigenschaften und eine gute Planheit liefert.
Hierzu wird eine von Band zu Band schrittweise selbst
lernende Optierung / Regelung entworfen, die explizit Ungenauigkeiten von Prozessmodellen berücksichtigt.
jan.polzer@bfi.de
the grain size is adjusted during rolling, while the crystalline structure is adjusted as the material cools on the
run-out table.
Standard temperature trajectories to adjust the material
properties often lead to pronounced flatness deviations. Conversely, concentrating on flatness alone would not deliver
the required material properties. The aim of the project is
to find a temperature trajectory in the TTT diagram that
simultaneously delivers good material properties and good
flatness.
An iterative learning controller will be developed
and implemented for this purpose, which explicitely considers uncertainties of the used process models.
jan.polzer@bfi.de
Kaltwalzprozess
Future-oriented pass scheduling calculation for
the cold rolling process
Wesentliche Kriterien für die Produktivität eines Gerüstes sowie für die Güte des fertigen Produktes sind die
Stichplangestaltung sowie die Auslegung der Geometrie
der eingesetzten Walzen. Aktuelle Systeme verwenden
jedoch empirisch ermittelte Regeln, um Prozessgrößen
wie Bandplanheit und die Bandqualität zu beschreiben.
Die Auslegung von Walzengeometrien wird ebenfalls empirisch ermittelt.
The productivity of a mill and the quality of the finished
product are essentially determined by two major factors:
pass scheduling and the geometry of the rolls used. However,
current systems use empirically determined rules to describe
process parameters such as strip flatness and quality. Roll
geometry design is also based on empirical methods.
Zur Berücksichtigung der Bandplanheit wurde ein Programm entwickelt, welches anhand von gemessenen Pro-
To take strip flatness into account, a program was developed which uses measured process data to determine
the roll force limits within which a good strip flatness
profile is assured. The roll force limits are determined by
81 BFI Stichplanberechnung
Position of the roll crown adjustment in a typical rolling situation
117
zessdaten diejenigen Walzkraftgrenzen ermittelt, bei denen
eine gute Bandplanheit gewährleistet ist. Die Ermittlung
der Walzkraftgrenzen erfolgt dabei unter Berücksichtigung
der Banddicke und Bandbreite des Walzgutes sowie der
Stellbereichsgrenzen der Planheitsstellglieder.
Durch Kenntnis der Walzkraftgrenzen können die
Stichabnahmen der einzelnen Stiche nun so gewählt werden, dass eine gute Bandplanheit in allen Stichen gewährleistet ist. Der Vorteil gegenüber empirisch ermittelten
Grenzen ist die wesentlich höhere Flexibilität des Systems,
eine erheblich verbesserte Berücksichtigung der Materialeigenschaften (weiches Material = hohe Stichabnahmen;
hartes Material = kleine Stichabnahmen) sowie eine z.T.
deutlich erhöhte Produktionsleistung bei bestimmten
Bändern. Tests haben gezeigt, dass eine Steigerung der
Produktionsleistung von bis zu 20 % erzielt werden kann.
Im konkreten Fall konnte ein Edelstahlband in 9 Stichen
anstatt der sonst üblichen 12 Stichen gewalzt werden. Hierdurch hatte sich die Gesamtwalzzeit für dieses Band von
68 Minuten auf 55 Minuten reduziert. Das Berechnungsverfahren wurde in die BFI Stichplanberechnung integriert
und an einem 20 Rollen-Walzwerk erfolgreich überprüft.
Zur Optimierung der Walzengeometrie wurde ein Programm entwickelt, anhand dessen der Anwender den
Istzustand analysieren kann und die Möglichkeit erhält,
die optimale Geometrie der Walzen unter Berücksichtigung der Produktpalette zu ermitteln. Im Falle von z.B.
20 Rollen-Walzwerken liegt hierbei der Fokus bei der Ermittlung der idealen Konuslänge und Konussteigung (bzw.
Konusform) sowie der Ermittlung der idealen Walzenballigkeit für die Antriebs- und Schleppwalzen.
considering the strip thickness and width of the rolling
stock as well as the control range limits of the flatness
control actuators.
Knowing the roll force limits makes it possible to select
the degree of reduction in each individual pass to ensure
that good strip flatness is achieved in all passes. Compared
with empirically determined limits, this approach results
in a significantly more flexible system, much better consideration of the material properties (soft material = high
degree of reduction per pass; hard material = low degree
of reduction per pass), as well as a sometimes major boost
in production output for certain kinds of strip. Tests have
shown that it is possible to reach a 20% increase in production output. In this concrete instance, a stainless steel
coil was rolled in 9 passes instead of the normally required
12 passes. The total rolling time for this coil was reduced
from 68 minutes to 55 minutes. The calculation method
has been integrated into the BFI pass scheduling program
and successfully verified on a 20-roll mill.
To optimise the roll geometry a program has been developed which will allow the user to analyse the actual
status and also offer the possibility to determine the optimal roll geometry for the respective product range. In
the case of, for example, 20-roll stands, the focus will be
on identifying the ideal taper length and taper pitch (or
taper shape) and on identifying the ideal roll crown for
the driver and driven rolls.
Fig. 82 shows an example of how the position of the roll
crown adjustment improves in a typical rolling situation
when the crown of the driver rolls has been increased
82 Position der Balligkeitsanstellung für eine typische Walzsituation. Istzustand (graue Balken); Balligkeit Antriebswalzen um 100 µm erhöht
(rote Balken)
Position of crown actuator for a typical rolling situation. Current position (grey bars); crown of driver rolls raised by 100 µm (red bars)
118
In Bild 82 ist beispielhaft dargestellt, wie sich die Position der Balligkeitsanstellung für eine typische Walzsituation verbessert, wenn die Balligkeit der Antriebswalzen
um 100 µm erhöht wird. Die grauen Balken zeigen dabei
die aktuelle Balligkeitsanstellung, wobei hierbei bereits
40% des verfügbaren (positiven) Stellbereiches benötigt
werden. Durch die Erhöhung der Balligkeit der Antriebswalzen ergibt sich für diese typische Walzsituation eine
neutrale Position für die Balligkeitsanstellung (rote Balken)
und somit eine deutliche Erhöhung des zur Verfügung
stehenden Stellbereiches.
Die BFI Stichplanberechnung (Bild 81 ) ist Bestandteil des
BFI-Prozessoptimierungssystem, welches sich weltweit an
vielen Walzanlagen in der Praxis bewährt hat. Ein weiterer
Bestandteil des Systems ist eine Funktion zur Gerüstvoreinstellung für Bandplanheit und Banddicke für den jeweiligen
Stichbeginn eines Walzstiches. Das System ist einsetzbar
bei den meisten bekannten Gerüsttypen (z.B. 20-Rollen
Walzwerk, Quarto und Six-high Gerüste, Tandemstraßen)
für die Herstellung von metallischen Flachprodukten.
jan.polzer@bfi.de
by 100 µm. The grey bars show the current roll crown
position; in this case it can be seen that 40% of the available (positive) adjustment range has already been used.
In this typical rolling situation, increasing the crown of
the driver rolls results in a neutral position for roll crown
adjustment (red bars) and thus significantly increase the
available adjustment range.
The BFI pass scheduling calculation program (Fig. 81 )
is part of the BFI process optimisation system which has
already been installed on many rolling mills around the
world where it has proved its worth in practice. A further
component of the system is a function for presetting the
rollings stand controls for strip flatness and thickness prior
to beginning each rolling pass. The system can be used on
most known stand types (e.g. 20-roll rolling mills, quarto
and six-high stands, tandem mills) for producing flat metal
products.
jan.polzer@bfi.de
Edelstahlwerke
stainless steel mills
Die Produktionsplanung in einem Walzwerk ist ein hoch
komplexer Vorgang, der entscheidend die Produktivität,
die Kosten und die Qualität beeinflusst. In den verfügbaren
kommerziellen Systemen gibt es leider keine Rückkopplung der produzierten Qualität in die Produktionsplanung.
Production planning in a steel mill is a highly complex
process which has a decisive influence on productivity, costs
and quality. In commercially available planning systems there
has been no provision up to now for feeding back data on
the produced quality into the production planning process.
Ziel dieses Projektes ist die Entwicklung eines Assistenzsystems für die Produktionsplanung, welches die Qualitätseinflüsse der einzelnen Produktionsstufen einbezieht.
In der betrachteten Prozesskette (Kaltwalzen – Glühen
– Dressieren – Adjustage) gibt es oft mehrere mögliche
Produktionsrouten. Das Planungsassistenzsystem ermittelt
die aus Qualitätsgesichtspunkten ideale Prozessroute. Da
sich hieraus eine Überlastung der modernsten Aggregate
ergeben kann, muss auch der Anlagendurchsatz in der
The aim of this project is to develop a software assistant
for production planning which will take the quality-influencing factors of the individual production stages into
account. In the process chain being considered (cold rolling
– annealing – temper rolling – finishing), there are often
several possible production routes. The planning assistant
will determine which is the ideal process route from the
quality viewpoint. Since this might possibly result in overloading of the equipment, the plant through-put must
83 Mehrdimensionale Optimierung der individuellen Produktionsrouten unter Berücksichtigung der Produktqualität und des Anlagendurchsatzes
Multi-dimensional optimisation of individual production routes while considering product quality and facility throughput
119
mehrdimensionalen Optimierung berücksichtigt werden.
Ähnlich einer Stauumfahrung beim Auto-Navigationssystem, liefert das Planungsassistenzsystem auch die nächstbesten Produktionsrouten bzw. das globale Optimum (vgl.
Bild 83 ).
also be considered in the multi-dimensional optimisation
process. Similar to the traffic jam avoidance feature in a
satellite navigation system, the software planning assistant
will propose the next best production routes or the overall
optimum (see Fig. 83 ).
Den Kern des Planungsassistenzsystems bilden Modelle,
die die individuelle Qualität von jedem Coil in den einzelnen Aggregaten abschätzen. Hierfür finden im Rahmen des
Projektes Messkampagnen mit mobilen topometrischen
Messgeräten statt, um die Messkette bez. der Qualitätsgrößen Planheit und Bandform zu vervollständigen.
The software planning assistant is based on models which
estimate the individual quality of each coil in the different
pieces of equipment. As part of this project, measuring
campaigns are being conducted with mobile topometric
instruments in order to complete the measuring chain regarding the quality parameters of flatness and strip shape.
jan.polzer@bfi.de
jan.polzer@bfi.de
120
Qualitäts- und Informationstechnik
Quality and Information Technologies
Oberflächenqualität von Flachstahl durch Nutzung der Ergebnisse von automatischen Oberflächeninspektionssystemen
Integrierte, automatisierte und multi-variate
von Bandmaterial
Verfeinerung der Qualitätsbewertung von Flachstahl durch eine prozessstufen-übergreifende
Auswertung von hochaufgelösten Prozess- und
Produktdaten
Qualitätsmanagement in der Flachstahlproduktion
mit Hilfe eines Entscheidungsunterstützungssystems
Entwicklung eines neuen Automatisierungs und
IT Paradigmas für integrierte intelligente Fertigung in der Stahlindustrie auf Basis holonischer
Agenten
automatische Wiedererkennung von Prozesssituationen anhand hochaufgelöster Anlagen- und
Prozessdaten
quality of flat steel by using the results of
automatic surface inspection systems
122
Integrated, automated and multivariate SPC
solution for the process industry as exemplified in
the case of strip material
123
Refining the quality assessment of flat steel by
using a through-process evaluation based on
high-resolution process and product data
124
using a decision support system
126
Development of a new automation and IT
paradigm for integrated intelligent manufacturing
in the steel industry based on holonic agents
127
Continuous optimisation of industrial production
processes and plants through automatic
recognition of process situations based on highly
resolved plant and process data
129
Werksweites Störungsbenachrichtigungssystem
Plant-wide error messaging system
130
Aufbau und Nutzung einer hochaufgelösten,
werksweiten Energiedatenbank zur stückbezogenen Verbrauchsanalyse und zur Identifikation von
Einsparpotenzialen
factory-wide energy database for piecewise usage
analysis and identification of savings potentials
131
Qualitäts- und Informationstechnik · Quality and Information Technologies
Oberflächenqualität von Flachstahl durch
Nutzung der Ergebnisse von automatischen
Oberflächeninspektionssystemen
quality of flat steel by using the results of
automatic surface inspection systems.
Um den Kunden qualitativ hochwertige Produkte liefern
zu können, ist in der modernen Flachstahlproduktion die
Oberflächenqualität von entscheidender Bedeutung. Das
Wissen über Art und Lage von Oberflächenfehlern kann
nicht nur genutzt werden, um minderwertige Qualität
frühestmöglich aus der Produktionskette herausschleusen
zu können, sondern beinhaltet wesentliche Informationen
zur Fehlerursachenanalyse, Prozess- und Anlagenoptimierung und für eine nachvollziehbare Materialzuteilung.
Surface quality is a decisive factor in the present-day
production of flat products for offering high quality products to customers. Knowing how and where surface defects
appear not only helps to eject low-quality products from
the production chain as soon as possible, but it also supplies important information for analysing defect causes,
optimizing the processes and equipment, and for traceable
allocation of materials.
Die optimale Nutzung der Ergebnisse von automatischen
Oberflächeninspektionssystemen (OIS) scheitert heutzutage allerdings häufig noch an der Unzuverlässigkeit der
Ergebnisdaten. In dem hier vorgestellten Forschungsprojekt
wurden zunächst Methoden und Verfahren zur kontinuierlichen Überwachung der Leistung der gesamten Verarbeitungskette der Oberflächeninspektion (Beleuchtung,
Kamera, Fehlerdetektion, Fehlerklassifikation, etc.) entwickelt und getestet. Ein wesentliches Ziel hierbei ist die Zuordnung von OIS-Statusinformationen zu jedem einzelnen
Inspektionsergebnis, da nur hierdurch die automatische
Nutzung zuverlässiger Daten gewährleistet werden kann.
Im Rahmen eines Projektes entwickelte das BFI hierzu
ein adaptives Verfahren, das in der Lage ist, verschiedenste
OIS-Key Performance Indices (KPI) zu kombinieren und
zu einem globalen Vertrauensindex zusammenzufassen.
The results of automatic surface inspection systems
(SIS) cannot always be used in an optimal manner today
due to the unreliability of the result data. In the research
project described here, methods and techniques for continuously monitoring the performance of the entire surface inspection processing chain (lighting, camera, defect
detection, defect classification, etc.) have been developed
and tested. One major objective here is the allocation
of SIS status information to each individual inspection
result, as this is the only way of assuring the automatic
use of reliable data.
In the course of a research project, BFI developed an
adaptive process which can combine a variety of SIS key
performance indices (KPIs) into an overall trust index. Experts’ know-how can be subsequently added in a rule-based
post-processing step, in order to improve the reliability of
the data even more.
84 Konzept zur Überwachung der Oberflächenqualität anhand von Daten eines automatischen Oberflächeninspektionssystems (OIS)
Concept of surface quality supervision by means of automatic surface inspection data (SIS).
122
Anschließend kann in einem regel-basierten Nachbearbeitungsschritt Expertenwissen eingebracht werden, um die
Zuverlässigkeit der Daten weiter zu erhöhen.
Die zuverlässigeren OIS-Daten können anschließend
zur automatischen Überwachung der Oberflächenqualität
eingesetzt werden (vgl. 84 ). Das BFI hat hierzu im Projekt
Ansätze für die verbesserte Entscheidungsunterstützung
und die automatische Ursachenanalyse umgesetzt. Anhand
eines Fehlertyps konnte gezeigt werden, dass sich mit Hilfe einer OIS-Leistungsüberwachung mit Nachbearbeitung
eine automatische Bandfreigabe realisieren lässt, so dass
sich die Zuteilungsentscheidung auf die kritischen Bänder
fokussieren kann. Des Weiteren wurde ein adaptives System zur automatischen Ursachenanalyse implementiert,
das die Oberflächenqualität überwachen und Ausreißer
detektieren kann. Zusätzlich erkennt das System Zusammenhänge in den Daten und gibt Hinweise auf mögliche
Ursachen von Abweichungen in der Oberflächenqualität.
Reliable SIS data can then be used to monitor the surface
quality automatically (see Fig. 84 ). In this respect, BFI has
integrated into this research project approaches to support
decision taking and to automatically analyse defect causes.
By examining a particular type of error, it has been possible
to demonstrate that an ëautomatic coil releaseí function is
possible with the support of SIS performance monitoring
with post-processing, making allocation decision necessary only for critical coils. In addition, an adaptive system
for analysing defect causes has been implemented, which
monitors the surface quality and detecting anomalies. This
system establishes relationships within the data and gives
hints for possible causes of deviation in the surface quality.
Both modules impressively proved the feasibility of automatic monitoring of the surface quality using SIS data
and the potential of further using this data.
Beide Anwendungen zeigten eindrucksvoll die Machbarkeit für die automatische Überwachung der Oberflächenqualität mittels OIS-Daten und das Potential, das in
der weitergehenden Nutzung dieser Daten liegt.
norbert.holzknecht@bfi.de
Integrierte, automatisierte und multi-variate
von Bandmaterial
Integrated, automated and multivariate SPC
solution for the process industry as exemplified
in the case of strip material
Statistische Prozessregelung (=Statistical Process Control,
SPC) ist in der Industrie eine standardisierte Technologie
der Qualitätssicherung und dient der statistischen Überwachung von Prozessparametern. Auf dem Markt wird hierzu
eine Vielzahl von Softwarepaketen angeboten. Dennoch
gibt es kein System, das die Aspekte der Prozessindustrie
und hier speziell der Stahlindustrie ausreichend berücksichtigt. Die Gründe hierfür liegen einerseits in der sehr
unterschiedlichen Charakteristik der Prozesse der Stahlproduktion (von sehr langsamen verfahrenstechnischen
Prozessen bis hin zu Fertigungsprozessen und extrem
schnellen Vorgängen im Bereich des Walzens) sowie der
großen Variationsbreite der Qualitätsmerkmale von Zwischen- und Endprodukten. Außerdem kommt hinzu, dass
in der Stahlindustrie in den letzten Jahren neue Systeme
zur Qualitätssicherung entwickelt worden sind. Ein Beispiel
hierfür ist die prozessnahe Entscheidungsunterstützung,
die beim Einsatz von SPC-Techniken zu berücksichtigen ist.
Statistical process control (SPC) is a standard quality
assurance technique in industry for statistically monitoring the process parameters. A large variety of software
packages is available on the market. Nevertheless, there
is no system that adequately covers the specific aspects
of the process industry, and more particularly, the steel
industry. The reasons for this lie on the one hand in the
widely varying characteristics of steelmaking processes
(from very slow chemical processes through to very fast
forming and fabrication processes, such as in rolling) and,
on the other hand, in the very broad spectrum of quality
features between the intermediate and the end products.
Furthermore, new quality assurance systems have been
developed in the steel industry in recent years. One example of these is process-related decision support, which
also requires to be taken into consideration when using
SPC techniques.
Im Rahmen eines Forschungsprojektes hat das BFI Methoden und Algorithmen zur Verbesserung der SPC und deren
Kombination mit Verfahren der Entscheidungsunterstützung
zu einem übergeordneten Qualitätssicherungssystem für
die Prozessindustrie entwickelt. Ziel des zu entwickelnden
Systems war die Unterstützung der Anlagenbediener und der
Produktionsverantwortlichen. Die Kernpunkte der technologischen Entwicklung sind die Erweiterung der klassischen
SPC um die Möglichkeiten sowohl univariate Merkmale zu
During a research project BFI has developed methods
and algorithms to improve SPC and to combine it with decision support techniques in order to create a higher level
quality assurance system for the process industry. The aim
of the system to be developed was to support plant operators and production managers. The core features of the
technological development are the expansion of classical
SPC by adding options for defining multivariate features,
calculating them automatically and monitoring them with
the help of a rule card, as well as multivariate monitoring
123
definieren, automatisch zu berechnen und mit Hilfe einer
Regelkarte zu überwachen als auch eine multivariate Überwachung einer Kombination von Merkmalen. Außerdem
sollten die Anwender des Systems bei der Erstellung der
Regelkarten unterstützt werden, indem die notwendigen
Voraussetzungen für die Anwendung der SPC automatisch
überprüft und die Parameter der Regelkarten anhand von
historischen Daten automatisch berechnet werden.
of a combination of features, and supporting the users of
the future systems in creating the rule cards by automatically checking the necessary conditions for application of
SPC, and automatically calculating the parameters for the
rule cards on the basis of historical data.
Fig. 85 shows the structure of the quality assurance
system that was developed.
Bild 85 zeigt die verschiedenen Elemente des entwickelten Qualitätssicherungssystems.
Verfeinerung der Qualitätsbewertung von
Flachstahl durch eine prozessstufenübergreifende Auswertung von hochaufgelösten
Prozess- und Produktdaten
Refining the quality assessment von flat steel by
using a through-process evaluation based on
high-resolution process and product data
Die Produktion hochwertiger Stahlgüten wird heute
vielfach von modernen Messsystemen unterstützt, die in
zunehmendem Maße hochaufgelöste (HR) Daten entlang
der gesamten Prozesskette erzeugen. Solche Daten werden
schon jetzt von den führenden Stahlproduzenten in werksweiten Qualitätsdatenbanken gespeichert. Im Idealfall lässt
sich somit für jedes Band der Produktionsweg mit allen
angefallenen Messdaten nachvollziehen, was ausreichend
ist, um Nachweispflichten im Reklamationsfall nachkommen zu können.
The production of high-quality steel products is supported by a variety of measurement systems which are
increasingly producing more and more high-resolution
(HR) data along the complete process chain. This data is
already being stored today by the main steel producers in
factory-wide databases.
Ideally, it is possible to trace the production route of each
coil by examining the accumulated data, which is sufficient
to meet the requirements for providing evidence in case of
85 Statistische Prozessüberwachung für die Stahlindustrie
Statistical process control for the steel industry
124
Viele Anwendungen, die sich mit der Informationsgewinnung aus großen Datenmengen beschäftigen, benötigen
jedoch nicht Daten von einzelnen Bändern, sondern über
eine Vielzahl von Bändern aggregiert, um systematische
Probleme bei der Produktion aufdecken zu können. Eine
effiziente statistische Auswertung über Signalverläufe von
mehreren Bändern ist mit den bestehenden Infrastrukturen
allerdings nicht möglich, da sie für einen bandweisen Datenzugriff optimiert sind. Allerdings gehen somit Effekte die z.B.
prozessbedingt nur am Bandanfang auftreten in stückweise
aggregierten Daten verloren, die nur einen Wert (z.B. Minimum, Maximum, Mittelwert, etc.) pro Band berücksichtigen.
Ziel des Projektes ist es nun ein Datenbankkonzept zu
entwickeln, dass hoch-performanten Zugriff auf hochaufgelöste Daten ermöglicht, um z.B. durch intuitive Visualisierungen eine verbesserte Ursachenfindung bei Qualitätsproblemen und somit eine Optimierung der gesamten
Prozesskette bis hin zu einer Null-Fehler Produktion zu
erreichen. Dabei sind sowohl 1-dimensionale Signale, die
nur in Bandlänge abgetastet werden, als auch 2-dimensionale Signale, die zusätzlich eine Querposition besitzen,
sowie ereignis-basierte Signale, wie das Auftreten von
Oberflächenfehlern, zu berücksichtigen und synchronisiert abzulegen (Bild 86 ).
Innerhalb des Projektes hat das BFI eine hierarchische
Datenbankstruktur entwickelt, die synchronisierte Daten
parallel in mehreren Auflösungsstufen bereithält. Während
des Datenimports in die neue Struktur können zusätzlich
Informationen aus der Materialverfolgung berücksichtigt
werden und die Datenablage separat für verschiedene
Prozessstufen erfolgen, so dass Daten aus verschiedenen
Blickwinkeln der Produktion betrachtet werden können.
complaints. However, many data mining applications need
data that has been aggregated over a very large number
of coils, and not just from a single coil, in order to detect
systematic production problems. An efficient statistical
evaluation of signal recording for several coils at a time is
not possible with the current infrastructure, because it has
been optimized for single-coil data access. Effects which
appear sporadically due to the nature of the process (e.g.
only at the beginning of the coil) are not considered in the
piecewise aggregated data, as this data only takes a single
value (e.g. minimum, maximum, average, etc.) into account.
The purpose of the research project is to develop a database
concept which enables high-performance access to high-resolution data, in order to achieve improved defect cause identification in the event of quality problems (for instance via
intuitive visualization), thereby optimizing the whole process
chain with the goal of zero-defect production. This concept
takes both 1-dimensional (sampled along the strip length) and
2-dimensional signals (those which also describe transverse
positions) into account, and can also deal with event-based
signals, like the occurrence of surface defects (Fig. 86 ).
As part of this project, BFI has developed a hierarchic database structure which stores synchronized data in different
but parallel resolution levels. Extra information coming
from material tracking can be taken into account during
the data import, and the data can be recorded separately
for different process steps. This enables the data to be analysed from a variety of perspectives.
Thanks to the multi-scale storage, the concept allows a
visualization similar to that of major geographic internet
services (like Google Earth). When a query is submitted to
86 Konzept der Analyse hochaufgelöster (HR) Daten
Concept of high resolution (HR) data analysis.
125
Durch die multiskalen Speicherung unterstützt das Konzept eine Visualisierung ähnlich der Visualisierung großer
geographischer Internetdienste (wie Google Earth). Wird eine
Abfrage an das System gestellt, so starten mehrere parallele
Abfragen auf unterschiedlichen Auflösungsstufen. Somit
erhält der Nutzer sehr schnell eine grobe Übersicht, die dann
nach und nach detailreicher wird, wenn die Ergebnisse der
Abfragen höherer Auflösungsstufen vorliegen. Es ist vorgesehen, dass die finale Version der Visualisierung browserfähig
realisiert wird und somit schnellen HR-Datenzugriff ohne zusätzliche Installation einer geeigneten Software ermöglicht.
the system, many parallel queries are launched at different
resolution levels. Therefore, the user quickly receives a first
overview which can be refined with more and more detail
once the results of the query are available from a higher
resolution level. It is planned to make the final version of
the visualization browser-compatible, enabling even faster
HR data access without installing any dedicated software.
Qualitätsmanagement in der Flachstahlproduktion mit Hilfe eines
Entscheidungsunterstützungssystems
using a decision support system.
Das BFI beschäftigt sich seit mehreren Jahren mit der
Konzeption von prozessstufenübergreifenden Archiven
von Prozess- und Qualitätsdaten. Auf bauend auf solchen
Datenbanken hat das BFI Lösungen, Konzepte und Softwarewerkzeuge für die Verarbeitung und Auswertung
von Prozess- und Produkt-Daten, der Ursachenanalyse
von Qualitätsschwankungen / Qualitätsfehlern sowie von
Entscheidungsunterstützungssystemen entwickelt.
BFI has extensive experience in the conception of
through-process archives of process and quality data. It has
developed solutions, strategies and software tools based
on such databases to process and evaluate data linked to
process and product, root-cause analysis of quality deviations / quality defects, and decision support systems.
Die Hersteller von Edelstahl-Flachprodukten sind mit
steigenden Anforderungen an die Produktqualität in
Verbindung mit hohem Kostendruck konfrontiert. Diese erfordern u.a. eine schnelle und gezielte Reaktion auf
Producers of stainless flat steel products are facing rising
expectations concerning product quality coupled with high
cost pressure. Among other things, this requires a quick and
targeted reaction to quality deviations in the process. In this
respect, an assessment of the current quality of the respective
intermediate product must be done in an appropriate way
87 Anpassung der Arbeitsvorschriften durch Auswertung der erzeugten Produktqualität
Adaptation of manufacturing specifications by evaluating the quality of products
126
Qualitätsabweichungen im Prozess. Hierzu muss nach jedem Schritt der Prozesskette auf geeignete Art und Weise
bewertet werden, ob die aktuelle Qualität des jeweiligen
Zwischenproduktes für den geplanten Kunden bzw. für
das geplante, vom Kunden daraus erzeugte Endprodukt
ausreicht.
Basierend auf bereits abgeschlossenen Forschungsprojekten des BFI soll ein System entwickelt werden, das als intelligente Unterstützung des Leitstandes konzipiert wird. Eine
zentrale Aufgabe ist die digitale Ablage und automatische
Überprüfung von Arbeitsvorschriften. Diese üblicherweise
in Papierform vorliegenden Arbeitsanweisungen müssen
bisher vom Bedienpersonal aus ihrer Erinnerung heraus
umgesetzt werden. Eine systematische Überprüfung, ob
diese eingehalten werden, findet nicht statt. Dies führt
zur personenabhängigen und damit unsteten Fahrweise
des Prozesses. Im Projekt wird ein Datenmodell für die
Ablage der Arbeitsvorschriften sowie Methoden für deren automatische Überwachung entwickelt. Dazu wird die
Nichteinhaltung der Arbeitsvorschriften mit Bezug zur erzielten Produktqualität statistisch ausgewertet und Hinweise an das Bedienpersonal ausgegeben oder die Anpassung
von Arbeitsvorschriften (Bild 87 ) angestoßen.
Eine weitere Aufgabe des zu entwickelnden Systems
ist die automatische Erkennung von Produkten, die die
Kundenspezifikation deutlich übertreffen und daher zu
höheren Preisen verkauft werden könnten. Das im Projekt
zu entwickelnde System erkennt diese hochwertigen Produkte automatisch und macht Vorschläge für das Leitstandpersonal zur weiteren Qualitätslenkung. Somit können
die vorhandenen Produkte optimiert den vorliegenden
Aufträgen und den damit verbundenen Kundenanforderungen zugeteilt werden.
after each single process step, to check that it corresponds
to the customer’s specification for the end product.
BFI is developing a system based on completed research
projects. This is conceived as an intelligent support for the
control station. A major objective is the digital storage and
the automatic review of standard operating procedures.
These are normally available in paper form, and the operating personnel must remember the instructions and apply
them. No systematic review of compliance takes place. As
a consequence, the process depends highly on the person
managing it and is hardly reproducible. During this project,
a data model for the storage of the operating procedures
and methods for their automatic monitoring are developed.
Non-compliance with the procedures is statistically assessed
with respect to the product quality reached, and hints are
given to support the operating personnel or to adapt the
standard operating procedures (Fig. 87 ).
Another purpose of the system to be developed is the
automatic recognition of products which outperform by far
the customerís specification and could therefore be sold at
higher prices. The system shall recognize these high-quality
products automatically and make proposals to the control
station personnel for quality disposition. This will allow
optimal allocation of the available products to the current
purchase orders (and their related specifications).
Ultimately, the system developed in the course of this
project will be installed in the facilities of an industrial
partner and will help to standardize procedures and improve production thanks to harmonization of operational
practice. The optimized allocation of products to particular
purchase orders on the base of their quality will have a
positive impact on yield and improve scheduling performance for demanding orders.
Letztlich soll das im Projekt entwickelte System beim Industriepartner zu einer vereinheitlichten Vorgehensweise und
einer verbesserten Produktion durch eine Vergleichmäßigung
der Fahrweise führen. Die optimierte qualitätsabhängige Zuordnung von Produkten zu Aufträgen wird sich positiv auf das
Ausbringen sowie auf eine verbesserte Terminperformance
für anspruchsvolle Kundenaufträge auswirken.
Entwicklung eines neuen Automatisierungs- und
IT Paradigmas für integrierte intelligente
Fertigung in der Stahlindustrie auf Basis
holonischer Agenten
Development of a new automation and IT
paradigm for integrated intelligent
manufacturing in the steel industry based on
holonic agents
Steigende Anforderungen an die Produktqualität, Produktionskosten, Umweltverschmutzung und Anlagenauslastung stellen die Stahlindustrie vor neue Herausforderungen. Die heutigen Automatisierungs- und IT Systeme
sind meistens sehr unflexibel und besitzen auf Grund der
historischen Entwicklung teilweise eine sehr hohe Komplexität. Dies führt dazu, dass notwendige Änderungen und
Optimierungen an den Systemen nur mit hohem Aufwand
The steel industry is facing rising expectations concerning
product quality, production costs, pollution control and
degree of capacity utilization. The current automation and
IT systems are mostly not flexible enough and too complex,
due to their incremental evolution over the years. The consequence is that the necessary changes and optimizations
to the systems are only possible with a great deal of effort.
The related costs often make any such changes unprofitable.
127
durchzuführen sind. Die entstehenden hohen Kosten machen die Änderungen häufig unrentabel.
Um auf Marktanforderungen schnell reagieren zu können bedarf es einer flexiblen Infrastruktur. Sie muss in der
Lage sein, geforderte Änderungen im Produktionsablauf
mit minimalen Kosten und Zeitaufwand umzusetzen.
In einem internationalen Forschungsprojekt ist das BFI an
der Entwicklung eines neuen Informations- und Automatisierungsparadigmas beteiligt. Das Ziel ist es, eine Infrastruktur
zu schaffen, um effizient verteilte Systeme zu optimieren. Um
dies zu gewährleisten, müssen zum einem die Komponenten
der bestehenden Systeme möglichst gut ausgenutzt und zum
anderen die Integration neuer Konzepte vereinfacht werden.
Möglich wird dies durch den Einsatz von Agententechnologie in Kombination mit Ontologien und serviceorientierter
Architektur. Die Agenten sind Softwaremodule, die spezifizierte Aufgaben übernehmen und proaktiv eine Lösung
der Aufgaben anstreben, in dem sie mit anderen Agenten
verhandeln. Das Wissen über Prozesse, Anlagen und Datenbestände wird über sprachlich formalisierte Darstellungen,
sogenannte Ontologien abgebildet. Die Schnittstellen zu
den bestehenden Systemen werden über Services realisiert.
A flexible infrastructure is necessary to quickly react
to the demands of the market. It must be able to implement the required changes in the production workflow at
a minimal cost in time and money.
In an international research project, BFI is participating
in the development of a new information and automation
paradigm. The major purpose is to create an infrastructure
to efficiently optimize distributed systems. Two conditions
are necessary to make this happen. On the one hand, the
components of the existing systems must be used at their
best. On the other hand, the integration of new concepts must
be simplified. This is enabled by using agent technologies
combined with ontologies and service-oriented architecture.
The agents are software modules which fulfill specific tasks
and proactively seek a solution by negotiating with other
agents. The know-how concerning process, equipment and
data assets is represented by language-formalized depictions
known as ontologies. The interfaces between existing systems will be realized via services. These technologies make it
possible to solve different industrial issues related to highly
distributed IT systems. In a specific case, this system will be
used to redesign a production route even beyond the limits
of the factory thanks to distributed optimization.
Diese Technologien ermöglichen die Lösung verschiedener industrieller Problemstellungen, die sich durch eine
hohe Verteilung der IT-Systeme ergeben. Im konkreten Anwendungsfall wird das System genutzt um mittels verteilter
Optimierung eine Umplanung des Produktionsablaufs auch
über Werksgrenzen hinweg durchzuführen.
88 Agentenbasierte prozessstufenübergreifende Steuerung
Agent based through process control
128
automatische Wiedererkennung von
Prozesssituationen anhand hochaufgelöster
Anlagen- und Prozessdaten
Continuous optimisation of industrial
production processes and plants through
automatic recognition of process situations
based on highly resolved plant and process
data
Bei vielen technischen Prozessen der industriellen Produktion werden heutzutage die für den Prozess maßgeblichen Messgrößen mit sehr hoher Auflösung abgetastet
und digital gespeichert. Bei schnell laufenden Prozessen
bedeutet „hohe Auflösung“ hierbei, dass Abtastraten im
Bereich von zweistelligen kHz erreicht werden können, d.h.
zwei Messwerte folgen in einem Abstand von z.B. 40 µs
(bei 25 kHz Abtastrate) aufeinander. Für die Aufzeichnung
dieser Daten und ihre Darstellung stehen mächtige Systeme
den Nutzern zu Verfügung, welche einfache Auswertungen
zulassen. Ein Wunsch der Nutzer ist dabei oftmals, einen
charakteristischen Signalverlauf, der eine Anomalie oder
Prozessstörung darstellt, in den bereits aufgezeichneten,
„historischen“ Daten wiederzufinden. Doch diese Aufgabe
ist bei den heutzutage vorliegenden großen Datenmengen
manuell nicht mehr vorzunehmen, hier werden automatisierte Werkzeuge benötigt, die die Suche nach solchen
besonderen Prozesssituationen eigenständig vornehmen
und dem Nutzer bei seiner Suche führen und unterstützen.
In many technical processes in industrial production, the
measurement variables of key importance for the process
are sampled or scanned with high resolution and saved
in digital form. In fast processes, “high resolution” means
that the sampling rates can reach the two-digit kHz range,
where the interval between two successive measured values is, for instance, 40 µs (for a 25 kHz sampling rate).
Powerful systems are available that allow users to record
and visualise these data and perform simple evaluations
Im Rahmen eines Forschungsprojektes hat das BFI zusammen mit einem Industriepartner Methoden und Algorithmen zur Identifikation von Prozesssituationen in
historischen Datenbeständen entwickelt und umgesetzt.
Dabei kann der Nutzer ein ihn interessierendes Muster
Users of measured value acquisition systems are often
faced with the task of searching historical data in order to
try and locate an anomaly that is currently also evident in
signal profiles. However, this task can no longer be done
manually due to the large amount of data; automatic tools
are necessary to handle these particular process-related
queries and support the user.
In the course of a research project, BFI and an industrial
partner have developed and implemented methods and
algorithms that enable rapid searches in big “historicî”
databases to identify signal patterns specified by users. Multi-dimensional searches are also possible, in which users can
detect the simultaneous occurrence of different categories
of signals (within a definition domain) in the stored data.
89 Ergebnisbildschirm einer zweidimensionalen Suche, oben re: Master-Signal mit grün markierten Fundstellen, unten re: zweites Signal mit
grün markierter, synchroner Fundstelle, links: gefilterte Liste der gefundenen Kandidaten (© iba AG)
Result of a two-dimensional search, top right: master signal detections, in green ; bottom right: second signal with synchronous detection
marked in green, left: filtered list of identified candidates (© iba AG)
129
frei in einem Signalverlauf definieren und dann in den
Daten suchen lassen. Auch eine mehrdimensionale Suche
ist möglich, d.h. Muster werden in mehreren Signalen definiert und dann ihr gleichzeitiges Auftreten (innerhalb von
Toleranzen) in den Daten gesucht. Durch die Anwendung
schneller Index-Methoden wird eine solche Suche innerhalb kürzester Zeit durchgeführt und die Suchergebnisse
(Kandidaten) dem Nutzer angezeigt. Durch einstellbare
Fehlergrenzen wird diese Auswahl auf die Bedürfnisse und
Wünsche des Anwenders eingeschränkt.
Fast indexing methods help to accomplish these searches
in a very short time and to display the results very quickly
to the user. Users can adjust the error limits to refine the
search according to their needs.
Fig. 89 shows a screenshot of the implemented situational search engine in the analyse software of the industry
partner for a two-dimensional use case.
Bild 89 zeigt einen Screenshot der implementierten Situationssuche in der Analysesoftware des Industriepartners
für einen zwei-dimensionalen Anwendungsfall.
Werksweites Störungsbenachrichtigungssystem
Plant-wide error messaging system
Schnelle Erfassung und zeitnahe Behebung von Störungen stehen in direktem Zusammenhang mit dem Erfolg
eines Unternehmens. In produzierenden Unternehmen
werden in der Regel die Anlagen über Sensorik ständig
überwacht. Störungen werden am entsprechenden Aggregat oder am Steuerpult bzw. Steuerstand angezeigt. Allerdings kann nicht mehr von einer ständigen Personalpräsenz
ausgegangen werden. Außerdem sind periphere Bereiche
eher selten in automatische Überwachungssysteme eingebunden. Diese Schwachstellen können unter Ausnutzung
moderner Informationstechnologien komfortabel und effizient behoben werden.
The fast detection and prompt clearance of disturbances
are directly related to the success of a company. In industrial companies the manufacturing facilities will normally
be always supervised by adapted sensor equipment. Malfunctions are displayed directly at the machine or at the
operator’s desk or the control station. These days, however,
permanent personal presence can no longer be assumed.
Besides this, peripheral areas are often not integrated in
automatic monitoring systems. These weak points can be
eliminated conveniently and efficiently by using modern
information technologies.
Das vom BFI entwickelte, werksweite Störungsbenachrichtigungssystem zeichnet sich durch einen einheitlichen
Lösungsansatz zur Auf- bzw. Nachrüstung in heterogen
bestückten Betrieben aus.
Das parametrierbare System sammelt Meldungen, erkennt
einen Störzustand und bewertet die Relevanz nach vorher
definierten Kriterien. Entsprechend dem hinterlegten Aktions- und Reaktionsszenario wird das zu diesem Zeitpunkt
zuständige Personal (Einzelpersonen oder Gruppen) ermittelt
und es werden qualifizierte Nachrichten über verschiedene
Wege versendet (z.B. über Mail oder SMS). Die Quittierungen
über den Empfang werden überwacht und protokolliert.
Nach einer Testphase wurde das System in den operativen Betrieb übernommen. Inzwischen werden nahezu
1000 Zustände durch das System überwacht. Im Störungsfall wird eine mit Zusatzinformation nach Nutzervorgabe
angereicherte Nachricht selektiv an das Smartphone der zu
diesem Zeitpunkt zuständigen Person bzw. Personengruppe weitergeleitet. Zeitgleich erfolgt die Signalisierung am
Systembildschirm, der von anderen, berechtigten Rechnern
per Webinterface erreicht werden kann. Die Quittierung
der Benachrichtigung kann somit direkt per Handy oder
am PC erfolgen.
130
The plant-wide error messaging system developed by
BFI is characterised by a standardised solution approach
suited for installation in and upgrading of heterogeneously
equipped plants.
The parameterisable system collects malfunction messages, recognises the status of these messages and evaluates the
relevance of the message by defined criteria. Appropriate
information will be forwarded by different routes (e.g.
e-mail and/or SMS) to the responsible persons (individuals
or groups) defined in the system according to the previously
stored action and reaction scenarios. Acknowledgements
of receipt of the fault messages are monitored and logged.
After a test phase, the system has been integrated in an
industrial plant. It now monitors almost 1000 statuses.
In case of a disturbance, the person or group of persons
in charge at that moment receive(s) an alert by mobile
phone, complete with extra information according to user
preferences. Simultaneously, a signal is displayed on the
authorised computers which can be reached by web interface. The acknowledgement of receipt can be sent directly
from the mobile phone or the computer.
The central computer of the system shows all active
notifications in a clearly structured format. The pre-de-
Der Systemrechner zeigt alle aktiven Meldungsvorgänge
in übersichtlicher Form. Farbig werden die vorher definierten Eskalationsstufen deutlich gemacht. Sämtliche Meldungen und Quittierungen werden protokolliert. (Bild 90 )
fined alert escalation levels are highlighted by colours.
All messages and acknowledgements of receipt are stored
(Figure 90 ).
werner.woeste@bfi.de
werner.woeste@bfi.de
Aufbau und Nutzung einer hochaufgelösten,
werksweiten Energiedatenbank zur
stückbezogenen Verbrauchsanalyse und zur
Identifikation von Einsparpotenzialen
factory-wide energy database for piecewise
usage analysis and identification of savings
potentials
Steigende Energiekosten treffen insbesondere die Stahlindustrie in Europa, die als energieintensive Branche in
hohem Maße von Energie und deren Kosten abhängig ist.
Da die kostengünstigste Energiequelle im Rahmen der
bestehenden Marktbedingungen eine verbesserte Energieeffizienz ist, spielen alle Möglichkeiten der Energieeinsparung eine wichtige Rolle. In diesem Zusammenhang
fehlt derzeit aber eine Lösung für die auf die Produktion
bezogene Analyse des Energieverbrauchs über die gesamte
Verarbeitungskette hinweg, da die erforderlichen Daten
Rising energy costs are particularly impacting the steel
industry in Europe which, as an energy-intensive industrial
sector, is highly dependent on energy and the associated
costs. Considering the existing market conditions, where
the least costly source of energy is to maximise energy
efficiency levels, every way of saving energy plays a vital
role. However, there is currently no production-related
solution in this area for analysing energy usage along the
entire processing chain since the necessary data are not
available in a suitable form. In the present situation, the
90 Momentaufnahme einer Melderliste im Störungsbenachrichtigungssystem (SBS)
Screenshot of the error messaging system
131
nicht in geeigneter Form zur Verfügung stehen. Derzeit
werden Energieverbrauchsdaten –falls überhaupt – zeitbasiert und an den jeweiligen Prozessstufen aufgezeichnet.
In 2013 startete ein internationales Forschungsprojekt
unter Federführung des BFI, zusammen mit einem deutschen Stahlhersteller, in welchem neue Möglichkeiten der
Energieeinsparung identifiziert und Ursachen für schwankende Verbräuche bei gleicher Produktion gefunden werden
sollen. Dafür werden die Energieverbräuche hochaufgelöst
erfasst und in einer zentralen Energieverbrauchs-Datenbank
gespeichert. Durch die Verknüpfung mit vorhanden Prozess-,
Anlagen- und Qualitätsdatenbanken können diese Energieverbrauchsdaten einzelnen Produkten zugeordnet und mit
ihnen zusammen analysiert und bewertet werden. Dadurch
ergeben sich neue Möglichkeiten zur Erkennung von Einsparpotentialen und zur Steigerung der Energieeffizienz.
energy usage data are recorded – if at all – on the basis
of time and at the respective process step.
In 2013 an international research project, which is
headed by BFI together with a German steel producer, was
launched with the aim of identifying new ways of saving
energy and finding the reasons for fluctuating usage rates
in the same production scenarios. The energy usage rates
were recorded at a high level of resolution and stored in
a central energy consumption database. By linking this to
existing process, plant and quality databases, these energy
usage data could be matched up with individual products
and analysed and evaluated with them. This has resulted
in new ways to detect savings potential and to improve
energy efficiency.
Fig. 91 shows a schematic of the developments (in green)
and the integration of the planned system.
Bild 91 zeigt schematisch die Entwicklungen (grün dargestellt) und die Integration des geplanten Systems.
91 Skizze des Energie-Informations- und Analysesystems (EIAS), grün dargestellt die gepanten Entwicklungen
Sketch of EIAS (Energy-Information and Analysis System) foreseen developments are marked in green.
132
Anhang | Annex
Anhang | Annex
Projektübersicht – Abgeschlossene Forschungsvorhaben | Projects overview – Completed projects
(Projektende zwischen 01.01.2013 und 31.12.2014) | (Project’s end between 01.01.2013 and 31.12.2014)
AiF
17207N/I+II
Weiterentwicklung der AOX-Messtechnik zur Vermeidung von Fehlmessungen
AOX Messtechnik
BMBF
01LY0904A Niedertemperaturabwärme zur Eigenstromerzeugung am Beispiel eines
NEBS KMU-Schmiedebetriebes
Entwicklung und Erprobung einer neuen Anlagentechnik zur Herstellung eines
033R065A
hochwertigen Zinkoxidprodukts aus ungenutzten zinkhaltigen ProduktionsrückSchmelzinjekt
ständen durch Schmelzbad-Injektion
BMWi
0327877A Neuartiger keramischer Hochtemperaturrekuperator zur Steigerung der EnergieeffiREKUKER zienz von Prozessfeuerungen
03ET1027B Qualitäts- und leistungssteigerndes Beheizungsverfahren für WärmebehandWB-Öfen lungsöfen auf Basis von innovativen energiesparenden Hoch-Impuls-Brennern
0327492B
Energieeffiziente Entstickung der Stahlbeizen
NOx-Abbau
ZIM
KF2231826ED Integrierte, automatisierte und multi-variate SPC-Lösung für die Prozessindustrie
IntegSPC am Beispiel von Bandmaterial
KF2231825WM1
Erhöhung der Prozesssicherheit bei der Desoxidation von Stahlschmelzen
ProDesox
Kontinuierliche Optimierung von Prozessen und Anlagen der industriellen ProKF2942802BZ2
duktion durch die automatische Wiedererkennung von Prozesssituationen anhand
SitErk
hochaufgelöster Anlagen- und Prozessdaten
DBU
AZ 30559 Entwicklung und Erprobung eines kompakten, hocheffizienten Regenerators für
OPTIREG den wirtschaftlichen Einsatz an Industrieöfen
FP7
FP7-Energy-2011
8.1-3 296010 Low Carbon Integrated Manufacturing Parks
LOCIMAP
NRW
NRW-EU Ziel.2
Innovative Werkstoffgeneration für Schneidwaren durch die zukunftsweisende Fer005-1009-0056
tigungstechnologie Bandgießen
Bladestrip
RFCS
Improvement of the internal wall surface quality of seamless tubes by optimisation
RFSR-CT-2008-00014
and anticipating management of the mandrel bar operation and supervision of the
OPTITUBE
internal tool process
Development of tools for reduction of energy demand and CO2-emissions within the
RFSR-CT-2009-00032
iron and steel industry based on energy register, CO2-monitoring and waste heat
ENCOP
power generation
134
RFSR-CT-2010-00001
Innovative carbon products for substituting coke on BF operation
Innocarb
RFSR-CT-2010-00003
Multi-criteria through-process optimisation of liquid steelmaking
TOTOPTLIS
RFSR-CT-2010-00005
Increased yield enhanced steel quality by improved deslaggin and slag conditioning
OPTDESLAG
RFSR-CT-2010-00006
Intercolumnar cracking and its relationship to chemistry and applied strain
ICCRACK
RFSR-CT-2010-00007
Application of novell wireless technologies to improve rolling performances
RollWiTech
RFSR-CT-2010-00008
Minimising energy loss in hot rolling by intelligent manufacturing
HREnergycontrol
RFSR-CT-2010-00009 Increased abrasive wear and thermal fatigue resistance of long product work rolls
LPRollCoat by apllication of novel coating technologies
RFSR-CT-2010-00014
High pressure water jet descaling for wire rod
HiJetRod
RFSR-CT-2010-00016
Influences of the electro galvanizing process on the surface topography alterations
ELOTOP
RFSR-CT-2010-00017
Flexible production by multi sensor process control of pickling lines
FLEXPROMUS
RFSR-CT-2010-00034 Reuse of low temperature heat (<350°C) for the reduction of CO2-impact of the steel
RELOTEMP industry
RFSR-CT-2010-00035 Selective salt elimination and valorisation for sustainable water and facility manageSELSA ment in the steel industry
RFSR-CT-2010-00037 Cognitive Control Systems in Steel Processing Lines for Minimised Energy ConsumpCognitive Control tion and Higher Product Quality
RFSR-CT-2011-00001
Extension of BF tuyere life time
EXTUL
RFSR-CT-2011-00003
Improved sinter mix preparation
IMSIMI
RFSR-CT-2011-00004 Intelligent cleanness control in secondary steelmaking by advanced off- and on-line
IntCleanCon process models
RFSR-CT-2011-00006 Innovative process technology for ingot casting by application of advanced simulaIPTINGOT tion and measuring techniques
RFSR-CT-2011-00007 Control of steel oxidation in reheating operations carried out with alternative fuels
CONSTOX and new combustion technologies
RFSR-CT-2011-00016 Intelligent self-learning control of the tension leveler process by use of soft sensor
iConTens technique to predict the residual stress and the flatness
RFSR-CT-2011-00038
Cost effective, reliable and safe acid management at European pickling plants
CORSA
RFSR-CT-2011-00039
Recovery of nickel from waste in stainless steel industry
RECONI
RFSR-CT-2011-00040
Technology-based assistance system for production planning in stainless steel mills
TecPlan
135
Anhang | Annex
Projektübersicht – Laufende Gemeinschaftsvorhaben | Projects overview – Running projects
Projektende nach dem 31.12.2014 | Project’s end after 31.12.2014
AiF
17964 BG/1 Ursache und Vermeidung der Beeinträchtigungen von Rekuperator- und RegeneraBrennerverschmutzung tivbrennern durch Ablagerungen
BMBF
033R104B Rückgewinnung und Wiederverwertung von Nickel aus deponierten NeutralisatiUrbanNickel onsschlämmen der Edelstahlindustrie
Nutzung nanopartikelhaltiger Beschichtungssysteme zur Zunderkonditionierung
13N12832 beim Gesenkschmieden und Optimierung des tribologischen Systems - Wirksamkeit
NanoZunKonLub des Verzunderungsschutzes, tribologische Eigenschaften und Untersuchungen zur
Applizierbarkeit
033RC1301C
Feste und fluide Produkte aus Gas
FfPaG
03R089A Ressourcenschonende neuartige Nickelrückgewinnung aus Prozesswässern der
NickelRück Phosphatierung
03X3567C
Ressourcenschonende Werkstoffkonzepte für TiC-haltige Verschleißkomponenten
RecyTIC
BMWi
01FS12030 Erarbeitung einer Normvorlage zur einheitlichen Bewertung des Einflusses der WelWavenorm ligkeit in der Feinoberfläche auf die Ausbildung der Decklackverlaufstruktur
03ET1043A Steigerung von Energieeffizienz und Wirkungsgrad an Banderwärmungsöfen durch
STEBGUT neue luftgekühlte Gut-Transportrolle
03ET1045C
Energieeffiziente dynamische Vakuumbehandlung von Metallschmelzen
EffiDynVak
03ET1095C Rationellere Energienutzung in Schachtöfen durch dynamische Steuerung von PosiRensodyn tionierung und Zeitfolge der Einsatzstoffe
03ET1164C Industrielle Erprobung von thermoelektrischen Generatoren zur Stromerzeugung
INTEGA aus Abwärme
ZIM
KF2231828DF2 Hochdynamische kontinuierliche in situ Temperaturmessung von Stahlschmelzen
SchmelzTemp (SchmelzTemp)
KF2231829 Entwicklung eines Verfahrens zur effektiven Magnetabscheidung eisenhaltiger ParMagnetemulsionen tikel aus betrieblichen Emulsionen unter minimalem Ölaustrag
KF2231830PR3 Entwicklung einer neuen industrietauglichen Online-Messtechnik zur automatisierDynacid HCI-FE(II)-FE(III) ten Konzentrationsüberwachung von HCl-Eisen(II)-Eisen(III)-Beizbädern
Anwendung des Mikro-Kalt-Schmiedens an Warmprofilwalzen zur VerschleißmindeKF2231831US3
rung und Verbesserung der Oberflächenqualität und Maßhaltigkeit warmgewalzter
MikroKaltSchmieden
Profile
KF2231832PK3 Entwicklung einer innovativen industriellen Schneidtechnik für hochverschleißenCoolCut des Bahnenmaterial
KF2231833ST3
Regenerator für variable Einbaulage; wissenschaftliche Grundlage und Koordination
REVE
KF2231834US3 Entwicklung einer adaptronischen Flachführung für Walzgerüste
BearingGapControl
136
EU - DCI - Switch Asia (EuropeAid)
DCI-ASIE/2011/263-160 Sustainable production through market penetration of closed loop technologies in
AcidLoop the metal finishing industry
NRW-EU Ziel.2
21060227512
Temporärer Hochtemperaturkorrosionsschutz
TempKorroSchu
21060236412 Intelligente, adaptive Prozessführung zur ressourceneffizienten Erzeugung hochIntProVOD wertiger nichtrostender Stähle in der VOD-Anlage
w1001nm022a Verschleißminderung von Warmumformwerkzeugen durch innovative wärmebeDispertherm handelte elektrolytische Dispersionsbeschichtungen
21060275613 Optimierung von hochbeanspruchten Gleitkontakten durch den Einsatz innovativer
Tribocoat Beschichtungs- und Oberflächenkonzepte
RFCS
RFSR-CT-2011-00011
Optimal control of shape and mechanical properties
OptiShaMP
RFSR-CT-2012-00001
Blast Furnace Sustained Tapping Practice
Sutain Tap
RFSR-CT-2012-00002 Improved coal combustion efficiency and char consumption - optimisation of injecIMPCO tion equipment and selection of injection materials
RFSR-CT-2012-00003
Optimisation of blast furnace hot stove operation
Optistove
RFSR-CT-2012-00004
Optimisation of permeability bars to customize sinter plants on changing demands
OptiPer
RFSR-CT-2012-00005
Stirring plug monitoring system to increase availability and stirring performance
PlugWatch
RFSR-CT-2012-00006
Control of slag quality for reuse in the construction industry
SlaCon
RFSR-CT-2012-00007 Application of innovative fibre optical thermal monitoring at CC-billet mould for
FOMTM improved control of product
RFSR-CT-2012-00009 Advanced measurements and dynamic modelling for improved furnace operation
DYNAMO and control
RFSR-CT-2012-00010 High Efficiency Low NOx BFG Based Combustion Systems in Steel Reheating FurnaHELNOX-BFG ces
RFSR-CT-2012-00011 Investigation of innovative methods for solidification control of liquid steel in the
InnoSolid mould
RFSR-CT-2012-00032
Removal of Phosphorus from BOF-slag
PSP-BOF
RFSR-CT-2012-00037 Intelligent control station for improved quality management in flat steel production
iConSys with a next generation decision support system
RFSR-CT-2012-00038 Application of Agent and Holon technology for the development of a new automatiI2MSTEEL on paradigm for steel industry
RFSR-CT-2012-00040 Refinement of flat steel quality assessment by through process evaluation of
EvalHD high-resolution process and product data
RFSR-CT-2012-00041 Quality and Process monitoring system for wire by surface and internal defect, and
MONWIRE by prediction of final mechanical properties
137
Anhang | Annex
RFSR-CT-2012-00042 Strong field magnetic separation of fine particles from cooling water and gas wash
MagSep water circuits of the steel industry
RFSR-CT-2013-00002 Determining process conditions for the use of online monitoring of actual melt conMeltCon dition in the EAF to optimise end point control
RFSR-CT-2013-00004 Development of a testing equipment (prototype) for in process detection of surface
NDTSLAB and subsurface defects in slabs
RFSR-CT-2013-00007
VirtRoll
RFSR-CT-2013-00008
Lubrication control in hot finishing mill
INTELLUB
RFSR-CT-2013-00009
Energy and resource efficient electro-galvanizing of steel strip
EFFICIENTELO
RFSR-CT-2013-00027 Application of a factory-wide and product related energy database for energy reducEnergyDB tion
RFSR-CT-2013-00028
Cyanid Überwachung und Behandlung unter dynamischen Prozessbedingungen
Dyncyanid
RFSR-CT-2013-00029
Thermoelectrical Heat Recovery from Low Temperature Exhausts of Steel Processes
Therelexpo
RFSR-CT-2013-00030 Environmental impact evaluation and optimization of resource management in EAF
EIRES steelmaking
RFS2-CT-2014-00002
Valorisation and dissemination of EAF technology
ValEAF
RFSP-CT-2014-00004 Adaptive on-line control of the EAF based on innovative sensors and comprehensive
AdaptEAF models for improved yield and energetic efficiency
RFSR-CT-2014-00005
Dynamic on-line monitoring and end-point control of dephosphorisation in the BOF
BOF de Phos
RFSR-CT-2014-00006
Improving steelmaking processes by enhancing thermal state ladle management
LadTherm
RFSR-CT-2014-00007 Optimization of scrap charge management and related process adaptation for EAF
OptiScrapManage performances improvement and cost reduction
RFSR-CT-2014-00009 Investigation of the effect of Ti on clogging of feeding systems and its prevention for
TICLOGG continuous slab casting
RFSR-CT-2014-00010 High performance hot rolling process through steel grade-dependent influencing of
HIPERSCALE the scale formation and flexible descaling control
RFSR-CT-2014-00012
Hydrogen embrittlement of cold rolls
HEROLL
RFSR-CT-2014-00028
Self-optimizing production on the example of hot rolling mill to pickling line
SoProd
RFSR-CT-2014-00029
Integrated dynamic energy management for steel production
DynergySteel
RFSR-CT-2014-00030 Independent performance assessment of automatic surface inspection systems thCHECKSIS rough integration of computer-aided external supervision procedures
RFSR-CT-2014-00031
Predictive Sensor Datamining
PRESED
138
Veröffentlichungen – Artikel in Zeitschriften | Publications – Articles in scientific journals
Bartusch, H.; Hauck, T.; Grabietz, G.: Balancing and behaviour of chlorine in the blast furnace process at HKM.
stahl und eisen; 2014 (2014) 01 S. 51-56
Diegelmann, V.; Zwickel, G.; Ullrich,M.; Gouveia,H.; Weirauch, U.; Boguslawsky, K.; Pernia Espinoza, A.V.:
Neues Verfahren zur unabhängigen Einstellung der mechanischen und topografischen Bandeigenschaften.
stahl und eisen 133 (2013) Nr. 11 S. 215
Holzknecht, N.; Brandenburger, J.; Keil, S.; Lücking, F.: Innovation for Quality Assurance - Automatic Creation of
QA Rules From Claims Data. Iron & Steel Technology; 2013 (2013) 2 S. 85-89
Kordel, T.; Köchner, H.; Fischer, H.: Monitoring of temperature homogenization in ladle furnace by continuous
measurement. stahl und eisen; 134 (2014) 11
Kotzich, S., Stranzinger, B.: Energieeffiziente Beheizung von Feuerungsanlagen. stahl und eisen; 133 (2013) Nr. 9
(2013) 133 (2013) Nr. 9 S. 67
Nörtershäuser, M.; Brandenburger, J.; Jonker, K.; Kogler, A.; Krätzner, M.; Mißmahl, W.; Moninger, G.: Oberfächeninspektionssysteme - Anforderungen an künftige Gerätegenerationen. stahl und eisen; 2013 Nr. 12 (2013) 133 S. 53-62
Palm, B.; Hayn, S.; Köchner, H.; Weides, G.; Haas, M.; Thomassen, G.: Online Überwachung des Abschlackprozesses
nach Abstich aus dem Elektrolichtbogenofen. stahl und eisen; 134 (2014) 9 S. 49-55
Reichardt, T.; Raulf, M.; Herrmann, M.; Dahms, P.; Kudermann, G.: Oilfree lubrication in steel cold rolling. Tribologie
+ Schmierungstechnik, 60. Jahrgang, März 2013, S. 58 - 59
Rögener, F.; Sartor, M.; Reichardt, T.; Bergsjö, P.; Römhild, S.: Kunststoffkorrosion in Beizlinien der Stahlindustrie –
Ursachen und Lösungsansätze. Stahl und Eisen ; 133 (2013) 1 S. 65-67
Rosemann, H.; Stranzinger, B.; Baldermann, M.; Heinemann, O.: Energiemanagementsysteme steigern die Energieeffizienz in der Stahlindustrie. stahl und eisen; 133 (2013) 4 S. 43-50
Sartor, M.: Verminderung von Hochtemperaturkorrosion bei der Wiedererwärmung von Stahl durch diffusionshemmende Beschichtungen. Galvanotechnik; 104 (2013) 6 S. 1128-1132
Schäperkötter, M.; Lamp, T.; Müller, P.; Roßius, S.: Strangoberflächentemperaturverfolgung im ersten Segment
einer Brammen-Stranggießanlage. stahl und eisen; 134 (2014) S. 11-14
Velten, M.; Giese, R.; Kotzich, S.; Mintus, F.; Queck, A.; Stranzinger, B.; Bender, W.: VDEh-Betriebsforschungsinstitut GmbH (BFI) - Energiewirtschaft und Industrieofentechnik in der Stahlindustrie.
gwi - gaswärme international; 06/2012 (2012) 06/2012 S. 67-73
Wendler, B.; Wolters, R.; Stille, U.; Böttger, D.: Microfiltration process for continuos removal of solid particles from
cold-rolling emulsions. Chemie-Ingenieur-Technik; 85 (2013) No. 8 S. 1248-1253
Werner, M.; Wolters, R.; Titze, K.; Kozariszczuk, M.: Neues Messverfahren zur kontinuierlichen Konzentrationsmessung in HNO3-HF-Mischsäurebeizen. Jahrbuch Oberflächentechnik; Band 69 (2013) S. 304-322
139
Anhang | Annex
Veröffentlichungen – Konferenzvorträge | Publications – Conference presentations
Adler, W.: Erfahrung mit einem neuen Beheizungssystem bestehend aus einem Flachflammenbrenner und einem
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Adler, W.; Bender, W.: Furnace technology for steel industry at BFI - experiences with a new flat flame burner in
combination with a thermal regenerator (ROREBS) in reheating furnaces. TOTeM 42 (Industrial heating: Furnaces,
Process Heaters, Kilns - Design of safe fuel und environmentally efficient thermal equipment), Tata Steel, Ijmuiden, Velsen Noord, Niederlande, Juni 2014
Adler, W.; Bender, W.; Tschapowetz, E.; Lohner, M.: A new flat flame burner in combination with thermal regenerator (ROREBS) in reheating furnaces - experiences and perspectives. 1st ESTAD, Paris, April 2014
Bode, A.; Agar, D.W., Büker,K.; Göke, V.; Hensmann, M.; Klingler, D.; Janhsen U.; Schunk, S.: Feste und fluide Produkte aus Gas. 4. Statuskonferenz der BMBF-Fördermaßnahme „Technologien für Nachhaltigkeit und Klimaschutz
– Chemische Prozesse und stoffliche Nutzung von CO2. 4. Statuskonferenz der BMBF-Fördermaßnahme „Technologien für Nachhaltigkeit und Klimaschutz – Chemische Prozesse und stoffliche Nutzung von CO2, Bonn, April 2014
Bode, A.; Agar, D.W.; Büker, K.; Göke, V.; Hensmann, M.; Janhsen, U.; Klingler, D.; Schlichting, J.; Schunk, S. : Research cooperation develops innovative technology for environmentally sustainable syngas production from carbon
dioxide and hydrogen. 20th World Hydrogen Energy Conference, Korea, Juni 2014.
Brandenburger, J.; Schirm, C.; Nörtersheuser, M.: Surface quality supervision by means of automatic inspection
data. 1st European Steel Technology & Application Days (ESTAD) - 31st Journées Sidérurgiques Internationales (JSI),
Paris, April 2014
Ebel, A.; Link, N.: Knowledge based decision support system for slabs approval at the steel shop. 1st European Steel
Technology & Application Days (ESTAD) - 31st Journées Sidérurgiques Internationales (JSI), Paris, April 2014
Kotzich, S., Mintus, F., Stranzinger, B.: Gasbeschaffenheitsänderungen und die Metallindustrie Einflüsse auf die
Prozessfeuerungen in der Stahl und Eisen Industrie. Praxisforum „Gasbeschaffenheit“ Auswirkungen auf Netzbetreiber und Gasanwender in Haushalt, Gewerbe und Industrie, Essen, Dezember 2013
Kotzich, S.; Stranzinger, B.: Auswirkung von Gasbeschaffenheitsschwankungen auf die Stahlindustrie. Arbeitskreises Energieeffizienz im Fachausschuss Thermoprozesstechnik, Düsseldorf, Januar 2014
Kozariszczuk, M.; Wendler, B.: Control of slag quality for utilisation in the construction industry - Workshop: treatment of slag washing water. 7th European Slag Conference, IJmuiden, September 2013
Kozariszczuk, M.; Titze, K. de P. C.; van Bennekom, A.; Hill, H.; Wolters, R.: Recycling und Wiedereinsatz von
Titankarbid durch Anwendung eines chemischen Auflöseverfahrens. 3. Symposium Rohstoffeffizienz und Rohstoffinnovationen, Nürnberg, Februar 2014
Lachmann, S.; Kleimt, B.; Schlautmann, M.: Integrated temperature and degassing modeling for ingot casting meltshop. Ingot Casting Rolling Forging 2014, 2nd International Conference, Mai 2014, Mailand
Lamp, T. ; Tamminga, M.; Köchner, H.; Schiewe, S.; Kirsch, D.: Continuous online characterisation of the meniscus
cover . 8th European Continuous Casting Conference, Graz, Juni 2014
Marx, K.; Rödl, S.; Schramhauser, S.; Seemann, M.: Optimization of the filling and solidification of large ingots.
ICRF, Mailand, Juli 2014
Otto, S.; Bender, W.; Weiß, R.; Lauer, A.; Lynen, A.; Koch, H.: Energy efficiency of heating processes with new
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Sidérurgiques Internationales (JSI), Paris, April 2014
Reichardt, T.; Raulf, M.; Herrmann, M.; Dahms, P.; Kudermann, G.: Oilfree lubrication in steel cold rolling. ÖTG-Symposium, Wiener Neustadt, November 2012
140
Reichardt, T.; Raulf, M.; Herrmann, M.; Mömming, C.; Luther, R.: New approaches for lubrication in steel cold rolling.
World Tribology Congress 2013, Torino, September 2013
Reichardt, T.; Raulf, M.; Herrmann, M.; Myslowicki, S.; Müller, C.; Dahms, P.; Bröring, C.: Oilfree lubrication in steel
cold rolling. 19th international colloquium Tribology, Stuttgart/Ostfildern, Januar 2014
Rödl, S.; Tscheuschner, C.: New approaches for numerical simulation of solidification and resulting strains and
stresses in the strand shell also for transient casting conditions. 8th European Continuous Casting Conference,
Graz, Juni 2014
Rosemann, H.: Energiemanagement nach DIN EN ISO 50001. VDEh-Seminar "Energieeffizienz in der Industrieofentechnik", Krefeld, Oktober 2013
Rosemann, H.; Stranzinger, B.: Balance model for the analysis of the energy demand and CO2 emission of an integrated steel mill. 1st International Process Integration Forum for the Steel Industry, Lulea, Sweden, Juni 2014
Sartor, M.; Reichardt, T.: Prevention of scale formation and scale conditioning by diffusion-inhibting coatings.
1st European Steel Technology & Application Days - 31st Journées Sidérurgiques Internationales, Paris, April 2014
Schäperkötter, M.; Lamp, T.; Müller, P.; Roßius, S.: Strand surface temperature tracking inside the first segment of
a slab caster. 28th European Continuous Casting Conference, Graz, Juni 2014
Schlautmann, M.; Kleimt, B.; Kühnemund, M.; Stahl, F.: Innovative technique and process control for production of
stainless steel ingots with low carbon contents. Ingot Casting Rolling Forging 2014, 2nd International Conference, Mai
2014, Mailand
Schlautmann, M.; Kleimt, B.; Zagrebin, V.; Ponten, H.-J.: Through-process control strategies for electric steelmaking.
PSImetals UserGroup, Berlin, Mai 2014
Schlautmann, M.; Kleimt, B.; Zagrebin, V.; Ponten, H.-J.: Through-process control strategies for reliable achievement
of liquid steel quality and temperature aims within the electric steelmaking route. 1st European Steel Technology &
Application Days - 31st Journées Sidérurgiques Internationales, Paris, April 2014
Soons, J.: Untersuchungen zum sicheren und druckstabilen Betrieb eines Gichtgasnetzes. Mentor Graphics User
Meeting (Flowmaster-Anwenderkonferenz), Darmstadt, November 2013
Stranzinger, B., Kotzich, S.: Gasbeschaffenheitsänderungen und die Metallindustrie Einflüsse auf die Prozessfeuerungen in der Stahl und Eisen Industrie. Praxisforum „Gasbeschaffenheit“ Auswirkungen auf Netzbetreiber und
Gasanwender in Haushalt, Gewerbe und Industrie, Essen, Dezember 2013
Stranzinger, B., Mintus, F., Schneider, W., Grünke, J.: Nutzung von Niedertemperaturabwärme zur Eigenstromerzeugung am Beispiel eines KMU-Schmiedebetriebes (NEBS). VDI-Konferenz: Stromerzeugung aus Abwärme mittels
ORC, Frankfurt, November 2013
Tikka, J.; Hensmann, M.; Lindfors N-O; Bäcklund E.: Utilization of Tornado processed blast furnace gas cleaning
sludge in blast furnace injection. ICSTI 12, Rio de Janeiro-Brazil, Oktober 2012
Werner, M.; Wolters, R.; Kozariszczuk, M.: Flexible Production by Multi Sensor Process Control of Pickling Lines.
TGS 5 Workshop on Future Trends and Opportunities in Finishing and Coating for the European Steel Sector, Brüssel, April 2013
Wolters, Ralf: Rückgewinnung von Nickel - NickelRück. 5. Urban Mining Kongress und r³ Statusseminar, Essen,
Juni 2014
141
Anhang | Annex
Veröffentlichungen – Artikel in Tagungsbänden | Publications – Articles in proceedings
Adler, W.; Bender, W.; Tschapowetz, E.; Lohner, M.: A new flat flame burner in combination with thermal regenerator (ROREBS) in reheating furnaces - experiences and perspectives. 1st ESTAD & 31st JSI, Abstract Booklet, April
2014, Paris, France, S. 124-125
Kleimt, B.; Dettmer, B.; Weinberg, M.: Erhöhung der Ressourcen- und Energieeffizienz bei der Stahlerzeugung
durch kontinuierliche dynamische Prozessführung. 3. Symposium Rohstoffeffizienz und Rohstoffinnovationen,
Februar 2014, Nürnberg, S. 117-138
Köchner, H.; Kordel, T.; Fischer, H.: Monitoring of temperature homogenisation in ladle furnace by continuous
optical liquid steel temperature measurement. Proceedings of 1st ESTAD & 31st JSI, Juli 2014, Paris, S. 72-73
Lamp, T. ; Tamminga, M.; Köchner, H.; Schiewe, S.; Kirsch, D.; : Continuous online characterisation of the meniscus cover. ISBN-978-3-200-03664-28th European Continuous Casting Conference, Juni 2014, Graz, S. 1023-1031
Marx, K.; Rödl, S.; Schramhauser, S.; Seemann, M.: : Optimization of the filling and solidification of large ingots.
Proceedings of the 2nd international conference "Ingot Casting Rolling Forging" , Mai 2014, Mailand, 09.pdf (CDROM)
Otto, S.; Bender, W.; Weiß, R.; Lauer, A.; Lynen, A.; Koch, H.: Energy efficiency of heating processes with new ceramic high temperature recuperator. April 2014, Paris, S. 128-129
Palm, B.; Hayn, S.; Köchner, H.; Weides, G.; Haas, M.; Thomassen, G.: Monitoring ladle deslagging process after EAF
tapping by online image analysis. Proceedings of 1st ESTAD & 31st JSI, April 2014, Paris, S. 68-69
Peters, H.; Brandenburger,J.; Ebel, A.; Holzknecht, N.; Link, N.: Aspects of Factory-Wide Quality Control Systems
in Steel Industry. Preprints of the IFAC Workshop on Automation in the Mining, Mineral and Metal Industries,
September 2012, Gifu, Japan, S. 162-168
Pirard, E.; Evrard, M.; Pietruck, R.; van Loo, F.; Mathy, C.; Pierret, J.-C.; Piret, V.: Improved sinter mix preparation
while using challenging materials. Proceedings of 1st ESTAD & 31st JSI, April 2014, Paris, S. 156-157
Rödl, S.; Tscheuschner, C.: New approaches for numerical simulation of solidification and resulting strains/stresses in the strand shell also for transient casting conditions. Proceedings on the 8th European Continuous Casting
Conference, Juni 2014, Graz, S. 1236-1245
Sartor, M.; Wunde, M.: Prevention of scale formation and influence of scale properties in steel re-heating by use of
dissusion inhibiting coatings. European Oxide Scale Conference 2014, Februar 2014, London, S. 47-50
Sartor, M.; Wunde, M.; Treuheit, A.: Einsatz nanoskaliger Beschichtungssysteme zur Verringerung der Hochtemperaturkorrosion bei der Warmumformung. 19. Symposium Verbundwerkstoffe und Werkstoffverbunde, Juli
2013, Karlsruhe, S. 720-729
Schäperkötter, M.; Lamp, T.; Müller, P.; Roßius, S.: Strand surface temperature tracking inside the first segment of
a slab caster. ISBN-978-3-200-03664-28th European Continuous Casting Conference, Juni 2014, Graz, S. 306-312
Wendler, B.; Wolters, R.; Böttger, D.; Stille, U.: A new microfiltration process for continuous removal of solid particles from cold rolling emulsions. 14. Aachener Membrankolloquium, November 2012, Aachen, S. 316-327
Wolters, R.; Wendler, B.; Thomas, R.: Metal recovery from rinsing water of the tinplate production. 14. Aachener
Membrankolloquium, November 2012, Aachen, S. 418-425
142
Veröffentlichungen – Druckwerke| Publications – Monographs
Díaz, J.; Link, N.; Tonelli, R.; Parimbelli, A.; Laine, J.; Alonso, J.; Tremea, A.: Development of an integrative plant,
process and quality supervisory system at continuous casting by the intelligent combination of sensors, data
analysis & decision support techniques . Publications Office of the European Union, Luxemburg, 2014, ISBN-Nr.:
978-92-79-34937-9
Dettmer, B.; Kleimt, B.; Pierre, R.; Krüger, K.; Haverkamp, V.; Deinet, T.; Tassot, P. : Erhöhung der Energie- und Materialeffizienz der Stahlerzeugung im Lichtbogenofen. In: Innovative Technologien für Ressourceneffizienz in
rohstoffintensiven Produktionsprozessen, S. 158 - 171. Fraunhofer Verlag, 2013, ISBN-Nr.: 978-3-8396-0596-7
Ebel, A.; Marchiori, F.; Lucarelli, A.; Lonzi, G.; Fidalgo, D.; Pellicer, P.; Iglesias, M.: Knowledge management and
decision support with special focus to process and quality optimisation at flat steel production. Publications Office
of the European Union, Luxemburg, 2013, ISBN-Nr.: 978-92-79-33617-1
Giese, R.; Thienpont, E.; Bender, W.: Stickoxidminderung von NOx-beladenen Prozessabluftströmen durch feuerungstechnische Maßnahmen. VDI-Berichte 2161; VDI Wissensforum GmbH, 2013, ISBN-Nr.: 978-3-18-092161-7
Holzknecht, N.; Fraga, C.; Ferro, F.; Heckenthaler, T.; Nastasi, G.: Supporting process and quality engineers by
automatic diagnosis of cause-and-effect relationships between process variables and quality deficiencies using data
mining technologies. Publications Office of the European Union, Luxemburg, 2013, ISBN-Nr.: 978-92-79-33237-1
Kotzich, S., Stranzinger, B.: Neues Messgerät zur Bestimmung verbrennungstechnischer Eigenschaften von Prozess- und Mischgasen. VDI-Berichte 2161; VDI Wissensforum GmbH, 2013, ISBN-Nr.: 978-3-18-092161-7
Kleimt, B.; Schlautmann, M.; Weinberg, M.; Bongers, J.; Berg, P.; Ide, N. : Optimierte Prozessführung zur ressourceneffizienten Stahlerzeugung im Konverterprozess. In: Innovative Technologien für Ressourceneffizienz in
Lamp, T.; Tamminga, M.; Köchner, H.; Macci, F.; Menchetti, F.; Luni, M.; Zanforlin, M.; Unamuno, I.; Ciriza, J.; Virone, G.; Tascone, R.: Mastering billet casting through integration of innovative mould sensoring and online billet
surface quality monitoring (Masterbillet). Publications Office of the European Union, Luxemburg, 2013, ISBN-Nr.:
978-92-79-28954-5
Louhenkilpi, S.; Kytönen, H.; De Santis, M.; Fraschetti, S.; Gotti, A.; Ridolfi, M.R.; Vescovo, P.; Koitzsch, R.; Balducci, E.; Andrianopoli, C.; Martin, G.; Mollo, A.; Csepeli, Z.; Josza, R.; Réger, M.: Integrated models for defect free
casting (DEFREE). Publication Office of the European Union, Luxemburg, 2013, ISBN-Nr.: 978-92-79-29038-1
Marx, K.; Wollenberg, M.: Development of effective dedusting of converters by innovative concepts and constructive optimisation (BOFDEDUST). Publication Office of the European Union, Luxemburg, 2013, ISBN-Nr.: 978-92-7929233-0
Massazza, M.; Andersson, S.P.; Salwen, A.; Koitzsch, R.;U Martini, U.; Unamuno, I.; Dey, A.: Identification of optimal mould lubrication conditions through an innovative hot and cold simulation method (LUBRIMOULD). Publication Office of the European Union, Luxemburg, 2013, ISBN-Nr.: 978-92-79-33084
Riaz, S.; Hirst, A.; Dey, A.; Caillet, N.; Pianezzola, M.; Tscheuschner, C.; Wolff, R.: Reduction in surface cracking in
as-cast low sulphur and calcium treated steels (LSSEMIQUAL). Publication Office of the European Union, Luxemburg, 2013, ISBN-Nr.: 978-92-79-28974-3
Rögener, F.; Sartor, M.; Reichardt, T.; Bergsjö, P.: Beständigkeit von Kunststoffen in Anlagen der Oberflächentechnik. In: Jahrbuch Oberflächentechnik Bd. 69. Eugen G. Leuze Verlag, 2013, ISBN-Nr.: 978-3-87480-280-2
Stephens, G.; Blanchard, S.; Bell, A.; Straker, A.; Hooper, B.; Dawson, S.; Alonso, I.; Lamp, T.; Tamminga, M.; Köchner,
H.; Tscheuschner, C. Rödl, S.; Palacios, J.; Pianezzola, M.; Arnulfo, A.; Vannucci, M.; Colla, V.; Schiewe, S.: Effect of
transients on quality of continuously cast product (TRANSIENT). Publication Office of the European Union, Luxemburg, 2014, ISBN-Nr.: 978-92-79-34938-6
Stolzenberg, M.; Schmidt, R.; Casajus, A.; Kebe, T.; Falkenstrom, M.; Martinez de Guerenu, A.; Link, N.; Ploegaert, H.; Van den Berg, F.; Peyton, A.: Online material characterisation at strip production. Publications Office of
the European Union, Luxemburg, 2013, ISBN-Nr.: 978-92-79-28961-3
143
Anhang | Annex
Strack-Thor, U.; Köchner, H.; Kleimt, B.; Kruck, J.; Arteaga, A.; Klösch, G.: Enhanced reliability in ladle refining
processes (VD, VOD and LF) by improved online process monitoring and control (LAREFMON). Publications Office
of the European Union, Luxemburg, 2013, ISBN-Nr.: 978-92-79-29710-6
von Gersum, S.; Adler, W.; Bender, W.: "Energieeffiziente Ofenbeheizung - Regenerative Wärmerückgewinnung
mit Flachflammenbrennern" in gwi-Sonderpublikation "Praxiswissen Industriebrenner - Aktuelle Entwicklungen
in der Thermoprozesstechnik". Herausgeber: Giese, A.; Leicher, J.; Wünning, J.G. Vulkan-Verlag GmbH / Deutscher
Industrieverlag GmbH, 2014, ISBN-Nr.: 9783802729744
Werner, M.;Wolters, R.; Titze, T.; Kozariszczuk, M.: Neues Messverfahren zur kontinuierlichen Konzentrationsmessung in HNO3-HF-Mischsäurebeizen. Eugen G. Leuze Verlag, 2013, ISBN-Nr.: 978-3-87480-280-2
Wolters, R.; Rösler, H.-W.; Bettermann, I.; Thomas, R.; Thiem, A.: Effizienztechnologie für die Kreislaufschließung
von Metallen und Spülwasser in der Weißblechproduktion. In: Innovative Technologien für Ressourceneffizienz in
144
Erteilte und angemeldete Patente | Granted and pending patents
Abschottsystem
Messrolle zum Feststellen von Planheitsabweichungen
Anwendung von Spülsteinen in der Pfannenmetallurgie
Messsystem zur Bestimmung der Bandlage
Auslenkvorrichtung
Messung der Oberflächentopografie bewegter Stahlbänder mittels TOF-Kamersystem (time of light)
Autarke elektrische Energieversorgung (AEE) auf Wellen und Rollen
Beschichtete Meßgeberabdeckung
Digitales Empfangssystem mit Störunterdrückung in
Echtzeit
Drehübertragersystem
Ellipsometer-Sensor zur Auflagenmessung auf bewegtem Stahlband
Erkennen des Pfannenzapfens im Maul von Lamellenhaken beim Heißtransport von feuerflüssigen Massen mittels Spannungsmessung mit piezoelektrischen Sensoren
Flachflammenbrenner
Flachflammenbrenner für hohe Brennluftvorwärmung
Messverfahren zur kontinuierlichen Überwachung der
Beizbadqualität
Messverfahren zur Partikelkonzentrationsbestimmung
in flüssigen Medien
Modellgestütztes Mehrgrößen-Planheitsregelungssystem mit Zerlegung der gemessenen Planheit in orthogonale Komponenten und Störgrößenaufschaltung
beim Warmwalzen
Neuartige Geometrie eines Verschlussstopfens zur Reduzierung der Ansatzbildung in Ausgusssystemen
Neues Verfahren zur Detektion der chromverarmten
Schicht
Oberflächenmesssystem für Flachprodukte
Formschlussbiegemaschine
Online Zugfestigkeitssoftsensor für Formschlussbiegemaschinen und Streckbiegerichtanlagen
Gerüstvoreinstellung
Planheits-Messsystem für Metallband
Haken eines Krans mit einer Winkelmesseinheit und
Verfahren zur Fehllasterkennung mit Automatisierungskonzept
Planheitsmessvorrichtung für Band mit spiegelnder
Oberfläche
Hybridsensor
Indirekte Planheitsmessung für Flachprodukte unter
Bandzug
Konverter mit einem Behälter zur Aufnahme geschmolzenen Metalls und einer Messvorrichtung zur optischen
Temperaturbestimmung des geschmolzenen Metalls
Koordinierendes modellbasiertes Planheitsregelungssystem mit Zerlegung der gemessenen Planheit in orthogonale Komponenten und Störgrößenaufschaltung beim
Walzen, insbesondere bei Kaltwalztandemstraßen
Planheitsregelung
Positionsregelung von Walzeneinbaustücken durch
eine adaptronische Geometrie- und Spielregelung für
die Flachbahnführungen
Regelung der Warmbandplanheit auf der Grundlage einer topometrischen Planheitsmessung
Regelverfahren und Regler für ein Walzgerüst
Richtvorrichtung FS-Richten
Rohrregenerator
Längsgebohrte Rolle
Sendesystem für Ultraschallwellen – Heißprüfer –
Lagergehäuse mit Stellvorrichtung zum geregelten
Neigen und Schwenken von Bandlaufrollen (Adaptive
Ofenrolle)
Sensor Vorspannung mittels Spannhülsen
Membran-Pulsstromabscheidung
T-Kokille
Messrolle mit Temperatursensoren zur Kompensation
der temperaturbedingten Verformungen
Ultraschallprüfung mittels elektrodynamisch oder
elektromagnetisch erzeugter und empfangener Stabwellen und Verwendung eines Laufzeit gesteuerten
Gruppenstrahlers
Messrolle mit verkeilten Sensoren
Stichplanoptimierung
145
Anhang | Annex
Universelle kleintechnische Brennkammer zur Brenngasqualitätsbestimmung
Verfahren und Vorrichtung zum optischen Messen der
Oberflächenform und zur optischen Oberflächeninspektion von bewegten Bändern
Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung des lokalen Wärmeübergangs in Industrieöfen, insbesondere
Wärmebehandlungsöfen
Verfahren und Vorrichtung zur Dämpfung einer Walzenschwingung in einer Walzanlage
Verfahren und Vorrichtung zur optischen Messung der Oberflächenform und zur optischen Oberflächeninspektion
Verfahren und Vorrichtung zur Verminderung von
Schwingungen in einer Walzanlage
Verfahren zum Messen und Steuern der Bandplanheit
in Bandbehandlungsanlagen
Verfahren zur Auswertung eines Herstellungs- oder
Bearbeitungsprozesses, bei dem an einem Stahlband
zumindest ein Bearbeitungsschritt durchgeführt wird
Verfahren zur Bandbeschichtung
Verfahren zur Ermittlung des Oberflächenverlaufs eines bewegten Bandes
Verfahren zur Ermittlung einer flüssigen Phase im Innern eines an seiner Oberfläche bereits erstarrten Strangs
Verfahren zur Ermittlung von Bandzug, Bandzugverteilung und Querprofilabweichung
Verfahren zur fraktionierten Aufbereitung von Säuren
aus Metallbeizbädern und deren Spülwässern
Verfahren zur Gewinnung eines hochwertigen Zinkoxid-Produkts durch pneumatisches Einblasen von
Fremdelementen wie z.B. Eisen enthaltenden zinkaltigen Staub (z.B. Produktionsrückstand) mit Kohlenstoff
in ein schmelzflüssiges Eisenbad Verfahren zur Messung der Auflage auf einem bewegten Metallband
Verfahren zur Konditionierung der sich bei den Teilprozessen der Herstellung von Metall (halbzeug- und
fertig)-produkten auf der Metalloberfläche bildenden
Oxidschicht mit einer partikulären, pulvrigen Beschichtung auf (heiße) Metalloberflächen
Verfahren zur Messung der Auflage auf einem bewegten Metallband
Verfahren zur selektiven Abtrennung von Metallen aus
Phosphatierungsbädern und deren Spülwässern mittels Membrankontaktoren
Verfahren zur Zuordnung eines digitalen Bildes in eine
Klasse eines Klassifizierungssystems
Verfahren zur Ermittlung der Planheit bzw. Welligkeit
eines bewegten Bandes – Welligkeit –
Vollrolle zur Planheitsrechnung
Vorrichtung und Verfahren zur Analyse der Zusammensetzung einer flüssigen Metallschmelze
Vorrichtung und Verfahren zur Einstellung der Zinkschichtdicke beim Feuerverzinken von Band
Vorrichtung und Verfahren zur Kombination des Dressierwalz- und Streckbiegerichtvorgangs
Vorrichtung zum Biegerichten von Metallband – Formschlußrichten
Vorrichtung zum Messen von Langprodukten
Verfahren zur Führung eines Bandes und Verwendung
für ein solches Verfahren
146
Kontakt | Contact
Sohnstrasse 65
40237 Düsseldorf, Germany
Prof. Dr.-Ing. Ralph Sievering
Hauptgeschäftsführer / General Manager
ralph.sievering@bfi.de
Tel: +49 211 6707 200
Dipl.-Wirtsch. Ing. Dominique Buoncuore
Referent der Geschäftsführung /
Executive Assistant to the Manager
dominique.buoncuore@bfi.de
Tel: +49 211 6707 203
Angelika Preiwuß
Sekretariat der Geschäftsführung /
Assistant to the Manager
angelika.preiwuss@bfi.de
Tel: +49 211 6707 201
147
Anhang | Annex
Anfahrt
How to find us
Anreise mit dem Auto
By car
Für die Anreise aus dem Süden, Osten oder Norden
empfehlen wir die A3, aus dem Westen die A52 aus Richtung Mönchengladbach. Kostenlose Besucherparkplätze
stehen direkt am Stahl-Zentrum zur Verfügung.
We recommend you to take the A3 motorway when
travelling from the south, east or north, and use the
A52 motorway from the west (from the direction of
Mönchengladbach). Free visitor parking is available at
the Stahl-Zentrum.
A3
A3
Von der A3 fahren Sie an der Ausfahrt Mettmann ab
Richtung Düsseldorf, folgen der Bergischen Landstraße
(B7), die nach mehreren Kilometern in die Ludenberger
Straße übergeht. Am Stauffenplatz verlassen Sie die B7
und folgen der Grafenberger Allee Richtung Zentrum.
Nach etwa einem Kilometer biegen Sie bei Mc Donald’s
rechts in die Sohnstraße ein. Nach ca. 500 m finden Sie
uns im Stahl-Zentrum auf der rechten Seite.
Leave the A3 at the Mettmann exit in the direction
of Düsseldorf, follow the B7 (the Bergische Landstrasse)
which becomes Ludenberger Strasse after several kilometres. Leave the B7 at the Stauffenplatz and follow the
Grafenberger Allee in the direction of the town centre
(Zentrum). After about one kilometre turn right into
Sohnstrasse at the McDonald’s. After approx. 500 m you
will see the Stahl-Zentrum on the right.
A52
A52
Linksrheinisch von der A52 kommend folgen Sie der
B7 und fahren über die Theodor-Heuss-Brücke auf der B1/
B7/B8 und weiter über die Heinrichstraße (B7) Richtung
Grafenberg. Nach ca. einem Kilometer biegen Sie rechts
in die Graf-Recke-Straße ein, an der nächsten Ampel nach
links in die Fritz-Wüst-Straße, die dann in die Sohnstraße
übergeht. Das Stahl-Zentrum finden Sie auf der linken
Seite.
Coming from the A52 on the left of the Rhine, follow
the B7 and go over the Theodor-Heuss Bridge on the B1/
B7/B8 and continue along Heinrichstrasse (B7) in the direction of Grafenberg. After approx. one kilometre turn
right into Graf-Recke-Strasse, then left at the next traffic
lights into Fritz-Wüst-Strasse which joins Sohnstrasse.
You will find the Stahl-Zentrum on the left.
Anreise mit dem Flugzeug
By plane
Sie landen auf dem Flughafen Düsseldorf International.
Von dort empfehlen wir das Taxi direkt zu uns (Fahrzeit
ca. 15 Minuten) oder die S-Bahn (S7) zum Hauptbahnhof.
You will land at Düsseldorf International Airport. We
recommend you take a taxi straight to us (drive time approx. 15 minutes) or the S-Bahn (tram S7) to the main station
(Hauptbahnhof).
Anreise mit dem Zug
By train
Am Hauptbahnhof steigen Sie in die Buslinie 834 Richtung Belsenplatz und fahren in etwa 10 Minuten bis zur
Haltestelle “Sohnstraße”, die sich unmittelbar vor unserem Gebäude befindet.
Take bus route 834 from the main station (Hauptbahnhof) in the direction of Belsenplatz and get out after
about ten minutes at the “Sohnstrasse” bus stop, located
immediately in front of our building.
148
Impressum/Imprint:© VDEh-Betriebsforschungsinstitut GmbH · Sohnstr. 65 · 40237 Düsseldorf · Germany
Redaktion/Compilation: Dipl.-Wirtsch. Ing. Dominique Buoncuore (verantwortlich / editor-in-chief)
Layout & Satz/Typesetting: Verlag Stahleisen GmbH
Übersetzung/Translation: ExperTeam, Neuss
Druck/Printing: KraftDruck GmbH, Ettlingen
BFI®, DynAcid®, DynKonTemp®, DynTemp®, FIDUS® und TopPlan®
sind eingetragene Warenzeichen der VDEh-Betriebsforschungsinstitut GmbH
are Registered Trademarks of VDEh-Betriebsforschungsinstitut GmbH
Bei Abdruck ist die Einwilligung der Redaktion erforderlich.
Reproduction of any Material is subject to editorial authorization.
VDEh-Betriebsforschungsinstitut GmbH (BFI) - Tätigkeitsbericht | Activity report - 2013/2014
Tätigkeitsbericht
Activity Report
2013/2014
betriebsnah. flexibel. innovativ
operational. flexible. innovative
im Stahl-Zentrum
Sohnstraße 65 · 40237 Düsseldorf
Telefon: +49 211 6707-201 · Fax: +49 211 6707-202
E-Mail: bfi@bfi.de · www.bfi.de
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