Tätigkeitsbericht /Activity Report 2011/2012

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Tätigkeitsbericht /Activity Report
2011/2012
VDEh-Betriebsforschungsinstitut GmbH
Institute for applied research
Impressum/Imprint:
© VDEh-Betriebsforschungsinstitut GmbH · Sohnstr. 65 · 40237 Düsseldorf · Germany
Redaktion/Compilation: M.Sc. Marten Sprecher (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
2011/2012
Dr.-Ing. Peter Dahlmann
Sehr geehrte Damen und Herren,
Dear Readers,
wir freuen uns, Ihnen den Tätigkeitsbericht unseres
We are pleased to present the latest Activity
VDEh-Betriebsforschungsinstitutes (BFI) vorzulegen. Report of VDEh-Betriebsforschungsinstitut (BFI),
our Institute for Applied Research.
Für nahezu alle Wertschöpfungsketten in Deutschland dient Stahl als wichtiger Basiswerkstoff. Die
Leistungen des BFI führen zu Optimierungen der
Prozesse der Eisen- und Stahlherstellung weiter in
viele Industriezweige getragen und verbessern so
auch die Qualität des Endproduktes. Zudem leisten
Entwicklungen zur Energie- und Ressourceneffizienz einen wichtigen Beitrag zum Erreichen der
Klimaziele.
Steel is an important base material for nearly all
the value chains in Germany. Because of this, the
services of the BFI achieved in improving iron and
steelmaking processes are carried through to many
other industries where they enhance the quality
of the end products. Furthermore, developments
in the area of energy and resource efficiency make
major contributions to reaching climate goals.
Das BFI leistet auf diesen Gebieten hervorragende
BFI does outstanding work in these fields and
Arbeit und nimmt eine über viele Jahre etablierte holds a long-established key position in applied
Schlüsselposition in der anwendungsnahen Forschung research for the members of Steel Institute VDEh.
für die Mitglieder des Stahlinstitutes VDEh ein.
Um die auch in Zukunft gewährleisten zu können,
hat sich das BFI intern neu aufgestellt sowie die
Forschungsinhalte hinterfragt. Ziel dieses Reformprozesses war es, Kompetenzen zu bündeln, um
schneller und gezielter auf die Herausforderungen
der Industrie einzugehen, gleichzeitig aber die
langfristige Forschung in gezielten Bereichen weiter
erfolgreich betreiben zu können.
To ensure the continued high level of service to
the member works of VDEh, BFI has reorganised
its internal structures and taken a close look at
the research project areas. The aim of this change
and reform process was to pool competences and
expertise in order to respond more quickly and
effectively to the challenges facing the industry
while continuing to conduct successful long-term
research in specific areas.
Wir sind zuversichtlich, dass dieser Reformprozess
We are confident that this reform process
die Stellung des BFI als führendes Forschungsin- further consolidates the position of the BFI as a
stitut weiter festigt und wünschen ihm auf dieser leading research institute and we wish the BFI much
success in its endeavaours.
Mission viel Erfolg.
2
© VDEh-Betriebsforschungsinstitut GmbH
Inhaltsverzeichnis
Contents
Das BFI
The BFI
Das Institut.................................................................................................4
The Institute...............................................................................................4
Einbindung in die Forschungslandschaft...........................................6
BFI in the Landscape of Research........................................................6
Europäische Zusammenarbeit...............................................................7
European Partnerships.............................................................................7
Veranstaltungen und Besuche...............................................................8
Events and Meetings................................................................................8
Energie- und Ressourcentechnik
Energy and Resources
Medien- und Energiewirtschaft......................................................... 10
Media and Energy Management........................................................ 10
Ressourcentechnologie......................................................................... 23
Resource Technologies......................................................................... 23
Wärme- und Verbrennungstechnik................................................... 34
Heat and Combustion Technologies................................................. 34
Prozesstechnik
Process
Roheisen- und Stahlerzeugung.......................................................... 49
Iron- and Steelmaking.......................................................................... 49
Strangguss und Umformtechnik........................................................ 61
Continuous Casting and Forming...................................................... 61
Oberflächentechnik und Stahlveredelung....................................... 80
Surface Technology and Finishing..................................................... 80
Mess- und Automatisierungstechnik
Measurement and Automation
Mess- und Prüftechnik.......................................................................105
Measuring and Testing.......................................................................105
Prozess- und Anlagenautomatisierung.......................................... 119
Process and Plant Automation......................................................... 119
Qualitäts- und Informationstechnik...............................................138
Quality and Information Technology..............................................138
Namen, Fakten und Ereignisse
Names, Facts and Events
Haushalt und Beschäftigte................................................................149
Turnover and Employees....................................................................149
Verwaltungs- und Fachbeirat...........................................................151
Administrative and Technical Board...............................................151
Publikationen........................................................................................152
Publications...........................................................................................152
Forschungsvorhaben...........................................................................156
Research Projects.................................................................................156
Patente....................................................................................................162
Patents....................................................................................................162
Kontakt....................................................................................................165
Contact...................................................................................................165
3
Das BFI | Das Institut
Das Institut
The Institute
Das VDEh-Betriebsforschungsinstitut (BFI) ist eines
der europaweit führenden Institute für anwendungsnahe Forschung und Entwicklung auf dem
Gebiet der Stahltechnologie. Eingebunden in das
Stahl-Zentrum in Düsseldorf, wo unter einem Dach
das Stahlinstitut VDEh, die Wirtschaftsvereinigung
Stahl sowie weitere Institute zusammenarbeiten,
ist das BFI durch seine technischen Arbeiten rund
um den Werkstoff Stahl stark in der Arbeit des
Verbandes integriert.
VDEh-Betriebsforschungsinstitut (BFI) is a leading
European provider of application-focused R&D
in the field of steelmaking technology. 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 Idee des BFI wurde 1968 geboren. Doch erst
1971 wurde die Gründung des Betriebsforschungsinstitut als gemeinnütziges Institut und Tochter
des Vereins deutscher Eisenhüttenleute (VDEh)
vollzogen. Heute stellt sein Eigentümer, das Stahlinstitut VDEh, zusammen mit seinen Mitgliedswerken
den Verwaltungsrat und Fachbeirat.
Das BFI finanziert sich zum großen Teil aus eingeworbenen Fördermitteln von EU, Bund und Ländern,
sowie aus dem Transfer der Forschungsergebnisse
direkt in die Werke der Stahlindustrie.
VDEh-Betriebsforschungsinstitut (BFI) is a leading
European provider of application-focused R&D
in the field of steelmaking technology. 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.
Das Tätigkeitsfeld des BFI umfasst die komplette
Prozesskette der Stahlherstellung von den Einsatzstoffen bis zum Endprodukt. Einerseits gilt es dabei
Fragestellungen in den jeweiligen Prozessstufen zu
beantworten, andererseits gewinnen Lösungen zu
prozessstufenübergreifenden Problemen zunehmend
an Bedeutung. Um dies zu erreichen müssen entsprechend der Aufgabenstellung neue Verfahren und
Prozesse entwickelt werden oder bereits vorhandenes
Wissen auf die Spezifikation der Stahlindustrie
angepasst werden.
BFI’s field of activities covers the entire steelmaking process chain, from charge materials to
the final product. While there are tasks to be
solved in the individual process stages, there is
also increasing demand for solutions to throughprocess problems. Meeting these needs may call for
the development of new processes and techniques
or for the adaptation of existing knowledge to
steel industry requirements.
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.
Insgesamt 13 Fachabteilungen aufgeteilt in drei
Bereiche -Energie- und Ressourcentechnik, Prozess4
A total of 13 specialized departments, structured
into three divisions (Energy and Resource Technology, Process Technology, Measuring Techniques
and Automation), handle the Institute’s work via
The BFI | The Institute
technik sowie Mess- und Automatisierungstechnikbehandeln die Fragestellungen kompetenzorientiert. Dabei steht die Prozessstufen übergreifende
Optimierung bezüglich Qualität, Ressourcen- und
Energieeffizienz zur Erhöhung der Wirtschaftlichkeit im Vordergrund.
Doch die wertvollste Ressource im BFI sind die
Mitarbeiter, welche die Forschungsaktivitäten auf
ihrem Spezialgebiet über viele Jahre begleiten und
vor allem auch prägen. Die Wissenschaftler bearbeiten am BFI Forschungsvorhaben zur Entwicklung
von Verfahren und Systemen zur Prozessverbesserung, sowie Folgevorhaben um die gewonnenen
Forschungsergebnisse weiter zu vertiefen und in
der industriellen Praxis anzuwenden.
a competence-based approach. Delivering plantwide optimisation in terms of quality, resource
and energy efficiency as well as operational costeffectiveness is our first and foremost objective.
But the most important resource at BFI is our
people, the staff who look after the research
activities in their special fields, accompany the
work over the years, and put their stamp on it.
The scientists at BFI conduct research projects to
develop methods and systems that will improve
processes and undertake follow-up projects to
deepen the knowledge gained as a result of prior
research and apply it in industrial practice.
Bild / Figure 1
Organigramm
Organigram
5
Das BFI | Einbindung in die Forschungslandschaft
Einbindung in die Forschungslandschaft
BFI in the Landscape of Research
Das VDEh-Betriebsforschungsinstitut hat sich zur
Aufgabe gemacht die Prozesse, Anlagen und Abläufe
der Stahlproduktion zu verbessern. Ausgehend vom
grundlegenden Prozessverständnis und theoretischen
Ansätzen werden die Lösungen in die Praxis der
Eisen- und Stahlindustrie umgesetzt. Hierzu nutzt
das BFI seine Kompetenzen auf den Gebieten der
Simulation, Mess- und Automatisierungstechnik,
Prozessführung und Verfahrensentwicklung.
VDEh-Betriebsforschungsinstitut is dedicated
to the improvement of steelmaking processes,
equipment and workflows. This involves the
practice-oriented realization of problem-solving
approaches developed in theory, as well as their
integration into actual iron and steelmaking environments. In accomplishing these goals, BFI relies
on its competence in the fields of simulation,
measuring and automation technology, process
management and process development.
Die Erarbeitung anwendungsnaher Lösungen ist von
unmittelbarem Nutzen für die Eisen- und Stahlindustrie. Dieser Ansatz ist ein Alleinstellungsmerkmal
des BFI, da es eine Brücke zwischen der Grundlagenforschung und der Eisen- und Stahlindustrie schlägt.
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.
The creation of application-focused solutions
is of direct benefit to the iron and steelmaking
industry and constitutes a unique BFI capability,
creating as it does a bridge between basic research
and real-life industry practice. 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.
Ein weiteres Hauptmerkmal des BFI ist die Akquisition von Fördergeldern aus den EU-, Bundes-,
und Länderprogrammen, einhergehend mit der
Projektleitung der Forschungsvorhaben. Mit Hilfe
der genehmigten Fördermittel ist es möglich die
Forschungsaufwendungen für die Projektpartner
erheblich zu reduzieren, da sowohl Personalkosten als auch Anlageninvestitionen teilweise vom
Fördermittelgeber getragen werden.
A key aspect of the BFI activity, regardless of
subject matter, is the distribution 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, and both
labour and investment expenditures can thus
be reduced.
Um dies alles sicherzustellen, besteht eine enge
Zusammenarbeit mit den Werken der Eisen- und
Stahlindustrie, dem Stahlinstitut VDEh, sowie den
Fördermittelgebern und Projektträgern.
To operate efficiently in this respect, the Institute
cooperates closely with iron and steel industry
enterprises, Steel Institute VDEh, the funding
bodies, and the project sponsors.
Des Weiteren ist das BFI stark in die Ausbildung
des ingenieurwissenschaftlichen Nachwuchses
integriert. So sind Lehrbeauftrage an der TU Dortmund - Fakultät Maschinenbau- , an der RWTH
Aachen - Fakultät für Georessourcen und Materialtechnik -, an der FH Düsseldorf – Fachbereich
Maschinenbau und Verfahrenstechnik - und an der
HTW Aalen - Fakultät Maschinenbau und Werkstofftechnik- berufen worden. Zudem bestehen
enge Kooperationen mit der TU Clausthal, der TU
Freiberg, der Universität-Duisburg-Essen, sowie der
FH Köln. Die Anfertigung von Bachelor-, Master und
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. The Institute also cooperates
closely with the Technical University of Clausthal,
6
The BFI | European Partnerships
Doktorarbeiten ist im Rahmen der vom BFI bearbeiteten Projekte möglich und erwünscht. Derzeit
sind mehrere Mitarbeiter als externe Doktoranden
an den Universitäten eingeschrieben.
the Technical University of Freiberg, DuisburgEssen 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.
Herr Prof. Peters und Herr Prof. Sievering haben
Honorarprofessuren an den Universitäten RWTH
Aachen und der TU-Dortmund.
Harald Peters and Ralph Sievering have honorary
professorships at the universities RWTH Aachen
and TU Dortmund.
Europäische Zusammenarbeit
European Partnerships
Die Eisen- und Stahlindustrie zählt zu den energieund ressourcenintensiven Industriezweigen. Die
daraus resultierenden Umweltfragen können
im 21. Jahrhundert nicht mehr national beantwortet werden, sondern müssen auf europäischer
Ebene diskutiert werden. Gleichzeitig gilt es die
Forschungskompetenzen europaweit zu bündeln um
Fragestellungen im Sinne aller gesellschaftlichen
Gruppen und Länder zu beantworten.
The iron and steel industry is one of the most
energy- and resource-intensive sectors of the
economy. The resulting environmental issues
can no longer be solved locally or nationally in
the 21st century but must be addressed at the
European level. Another important aspect is the
pooling of research capabilities across Europe in
order to find answers that will satisfy all involved
groups of societey and countries.
Auch für den Werkstoff Stahl bedeutet dies,
dass die Bedeutung der europäischen Stahlverbände ESTEP (European Technology Platform) und
EUROFER (European Steel Association) in Zukunft
weiter zunehmen wird. Aber auch vor allem das
Forschungsaktivitäten auf europäischer Ebene
weiterhin an Bedeutung gewinnen, um die Wettbewerbsfähigkeit der europäischen Stahlindustrie,
zu stärken.
For steel as a material, this means that the
European steel associations ESTEP (European
Technology Platform) and EUROFER (European
Steel Association) will assume ever-increasing
importance in the future. Above all, it will mean
that the significance of joint European research
activities will continue to grow as a means of
strengthening the competitiveness of the European steel industry.
Das BFI bildet aus diesem Grund unter der
Schirmherrschaft des Forschungssausschusses
von EUROFER und mit der Unterstützung des
Führungsgremiums von ESTEP ein Netzwerk
zusammen mit den führenden europäischen
Stahl-Forschungsinstituten – Research Initiative
for European Steel (RIES). Hierzu gehören neben
dem VDEh-Betriebsforschungsinstitut mit Sitz in
Düsseldorf, Centre for Research in Metallurgy in
Lüttich, Centro Sviluppo Materiali S.p.A. in Rom
und Swerea Mefos in Lulea (Schweden).
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 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, Centro
Sviluppo Materiali S.p.A. in Rome and Swerea
Mefos in Lulea (Sweden).
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.
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,
7
Das BFI | Veranstaltungen und Besuche
Gleichzeitig wird im Netzwerk eine koordinierte
Strategie zu Forschungsthemen gegenüber den
europäischen Gremien verfolgt.
the network pursues a coordinated strategy on
research topics in its dealings with European
bodies.
So ist es bereits gelungen an den Rahmenbedingungen für das nächste europäische Forschungsprogramm (Horizon 2020) oder am rechtlichen
Rahmen für den europäischen Forschungsraum
(ERA) mitzuwirken um auch zukünftig eine energieund ressourceneffiziente Stahlherstellung in Europa
zu ermöglichen.
It has thus already succeeded in participating in
the process for defining the terms of reference for
the next European research programme (Horizon
2020) and the legal framework for the European
Research Area (ERA) in order to establish the
necessary conditions for energy and resource
efficient steel production in Europe in the future.
Ebenfalls konnte RIES an der Roadmap zu SPIRE
(Sustainable Process Industry - European Industrial
Competitiveness through Resource and Energy Efficiency), einem PPP (Private Public Partnership) des
8.Forschungsrahmenprogrammes der EU (Horizon
2020), mitwirken.
RIES has also contributed to SPIRE (Sustainable
Process Industry – European Industrial Competitiveness through Resource and Energy Efficiency),
a PPP (Private Public Partnership) of the 8th EU
Framework Programme.
Seine Akzeptanz findet das Netzwerk in der Unabhängigkeit seiner Mitgliedsinstitute, denn damit
ist sichergestellt, dass die Interessen zukunftsorientierter Forschung ausgearbeitet werden und
in die zukünftigen Förderprogramme einfließen. So
kann auch in Zukunft Spitzenforschung rundum
den Werkstoff Stahl in Europa gewährleistet werden.
Gleichzeitig wird das Votum der unabhängigen
privatwirtschaftlichen Forschungsinstitute in die
Gremien der Europäischen Kommission, EUROFER,
ESTEP und RFCS (Research Fund for Coal and Steel)
The network is broadly accepted because of its
independent nature, as this provides an assurance
that the interests of forward-looking research
will be addressed objectively and will be channelled into future funding programmes. This
will help to ensure that world-class research on
all aspects of steel will be conducted in Europe
in the future as well.
At the same time, the opinions formed are voiced
in the committees of the European Commission,
EUROFER, ESTEP, and RFCS (Research Fund for
Coal and Steel), in which BFI staff are represented.
Veranstaltungen und Besuche
Events and Meetings
Seit dem Jahr 2004 gibt es am BFI die Tradition
der Kolloquien mit dem das Institut über aktuelle
Forschungsthemen und –ergebnisse informiert.
Ziel ist es den Austausch zwischen der Stahlindustrie und der Forschung weiter zu vertiefen.
Im Juni 2012 fand das BFI-Kolloquium mit dem
Schwerpunkt Roheisen- und Stahlerzeugung mit
über 100 Besuchern großen Anklang.
BFI established its BFI Colloquium in 2004. At this
annual event, the Institute informs par-ticipants
about research topics and results in order to deepen
the interaction between the steel industry and
the research world still further. In June 2012 the
BFI Colloquium cov-ered the theme “Iron- and
Steelmaking” and was very well received by the
more than 100 attendees.
Des Weiteren war das BFI im Jahr 2011 bei der
METEC und der InSteelCon mit 13 Fachvorträgen,
sowie 6 Sitzungsvorsitzenden vertreten.
In 2011, BFI participated in METEC and
InSteelCon, presenting 13 papers and chairing
6 technical sessions.
Hervorzuheben ist zudem ein Workshop mit über
100 Besuchern zum Thema „Intelligent Manufacturing“, welcher in Kooperation zwischen zusammen
mit ESTEP und ArcelorMittal und dem BFI organisiert worden ist.
Worthy of note is a workshop on “Intelligent
Manufacturing” attended by over 100 people
which was organised by BFI in cooperation with
ESTEP and ArcelorMittal.
8
The BFI | Events and Meetings
Bei den Jahrestagungen Stahl 2011 und 2012,
am Aachener Stahl-Kolloquium, sowie an der ICRF
(International Conference of Casting and Forging)
war das BFI mit einem Stand vertreten.
Außerdem konnten im Berichtszeitraum
Dr. Edwin Basson (Genenaldirektor von Worldsteel)
und Bildungsministerin Prof. Dr. Anette Schavan
im BFI begrüßt werden. Herr Dr. Basson fasste
seinen positiven Eindruck wie folgt zusammen:
BFI was represented with its own stand at the
Stahl conventions in 2011 and 2012 as well as the
Aachen Steel Colloquium and the ICRF (International Conference on Ingot Casting, Rolling and
Forging).
Furthermore, in the past two years BFI has had
the pleasure of welcoming Dr. Edwin Bas-son
(Director General of Worldsteel) and German
Education Minister Prof. Dr. Annette Schavan,
both of whom were impressed by what they saw.
Dr. Basson speaks about his positive impressions as:
»Ich habe nicht nur viel über die Bandbreite der Aktivitäten gelernt, sondern auch über konkrete Forschungsprojekte in den verschiedenen Einrichtungen. Das ist
exzellente Arbeit, die hier geleistet wird. Ich denke,
dass die Stahlindustrie stolz darauf sein kann. Und
hoffentlich gelingt es uns die beispielhafte Arbeit weltweit zu verbreiten, um die Effizienz und den Erfolg der
Stahlindustrie weiter zu steigern.
»I not only learnt a lot about the overall scope of
activities here but also gained insights into the actual
research projects being handled by the various laboratories. There is excellent work being done here and I
think the steel industry can be very proud of this. And
hopefully, we will be able to roll out this example to
other parts of the world in order to make our industry
more efficient and more successful.
Am meisten beindruckt mich, dass hier nicht mit
riesigen Budgets an extravaganten Lösungen gearbeitet
wird. Hier geht es um anwendungsnahe wirtschaftliche
Lösungen, die den Unternehmen nützen.
What impressed me most was that these projects
are not big-budget productions aiming to produce
ultra-sophisticated solutions. Instead, the focus is on
practical solutions that can be found on a low budget
and which are beneficial to the industry.
In einigen Ländern habe ich ähnliche Einrichtungen
besucht. Darunter war jedoch keine mit so hoch entwickelter und so klar definierter Forschung, wie ich sie hier
gesehen habe. Die Forschung hier ist weltweit die Beste.«
I have visited similar institutes in other countries,
but none of them was as highly devel-oped or had
such clearly defined research policies as here. The
work being done here is simply the best in the world.«
Das Video zum Besuch können Sie sich hier anschauen:
The video of the visit you can watch here:
Bild / Figure 2
Dr. Edwin Basson, Generaldirektor of worldsteel
Dr. Edwin Basson, Director General of worldsteel
9
Energie- und Ressourcentechnik | Medien- und Energiewirtschaft
Beurteilung von großtechnischen Gasnetzen und
Erarbeitung von Verbesserungsmaßnahmen mittels Berechnungsergebnissen
Assessment of industrial-scale gas networks and
development of improvement measures based
on calculation results
Um großtechnische Gasnetze effizient und wirtschaftlich zu betreiben, müssen diese bei definierten
Druck- und Geschwindigkeitsbedingungen betrieben
werden. Plötzliche Veränderungen bei Druckstößen
führen bei den angeschlossenen Anlagen z. B. zu
einer unvollständigen Verbrennung bis hin zu
Analgenstörungen oder Sicherheitsabschaltungen.
Daher werden Gasnetze z. B. für Gicht-, Koksofensowie 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 velocity 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.
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 Wärme-
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, pres-
Bild / Figure 3
Gichtgasdruck als Funktion der Zeit und Position im Gichtgasnetz
Top gas pressure as a function of time and location in the top gas network
10
Energy and Resources | Media and Energy Management
stromverteilungen, Druckverteilungen, Geschwindigkeiten und Stoffgrößenveränderungen (Dichte,
Viskosität, usw.). Durch transiente Berechnungen
können die oben genannten Größen für zeitabhängige
Vorgänge untersucht und bewertet werden.
sure dis-tributions, 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.
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 Position im
Gichtgasnetz dargestellt. Mit diesen und weiterern
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.
Fig. 3 is showing 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.
Entwicklung von Maßnahmen zur Erhöhung
der Energieeffizienz und Verminderung der
CO2-Emissionen eines integrierten Hüttenwerks
Development of measures to increase
the energy efficiency and decrease the
CO2 emissions of an integrated steel mill
In einem integrierten Hüttenwerk ist der Stoffund Produktionsfluss besonders auf eine hohe
Energieeffizienz und bestmögliche Nutzung der
Stoffströme auszurichten. Die Energie der im
In an integrated steel mill, the mass and production flows must be designed for high energy
efficiency and the best possible utilisation of
the materials employed. Similarly, the energy
Bild / Figure 4
Energieflüsse eines Kraftwerks im integrierten Stahlwerk
Energy flows in a power plant of an integrated steel mill
11
Prozessverlauf erzeugten Kuppelgase (Koksofen-,
Gicht- und Konvertergas) muss dabei bestmöglich
genutzt werden. Je nach Standortsituation kann
rd. 1/3 des Energieinhalts der Kuppelgase innerhalb
des Hüttenwerks in verschiedenen Feuerungen
thermisch verwertet werden. Der verbleibende
Anteil der Kuppelgase wird meistens in angeschlossenen Kraftwerken zur Strom- und Dampferzeugung
genutzt.
of the process gases (coke oven gas, top gas and
converter gas) generated during the course of
production must be exploited in the best possible
way. Depending on the situation at each site, about
1/3 of the energy carried by the process gases can
be thermally utilised in various firing systems
throughout the steel mill facilities. The remaining
process gases are mostly used in associated power
plants to generate electricity and steam.
Im Rahmen eines Forschungsvorhabens wurden
Energie- und Stoffbilanzen von zwei integrierten
Hüttenwerken erstellt. Die Daten wurden zur Bestimmung der Energieeffizienz und der CO2-Emissionen
verschiedener Teilanlagen genutzt. Bild 4 zeigt
beispielsweise als Ergebnis einer derartigen Bilanzierung die ein- und austretenden Energieströme
eines Kraftwerks, das mit Gichtgas und Konvertergas
des Hüttenwerks sowie zusätzlichem Erdgas befeuert
wird. Das Kraftwerk verfügt über einen Kombiprozess mit Gas- und Dampfturbine und kann mittels
Kraft- / Wärmekopplung neben Strom auch zusätzlichen Prozessdampf und Fernwärme produzieren.
Die Energie der eingesetzten Brennstoffe konnte
in diesem Beispiel mit einem Wirkungsgrad von
52,6 % energetisch genutzt werden.
Within the course of a research project, the
energy and mass balances of two different integrated steel mills were analysed. These data were
used to determine the energy efficiency and the
CO2 emissions of various units. Fig. 4 shows one
example of such analyses with the incoming and
outgoing energy flows of a power plant that is
fired with top gas and converter gas from the
steel mill as well as with natural gas. This power
plant has both a gas and a steam turbine, operates
on the combined heat and power principle and
produces not only electricity but process steam
and district heating. In this example, the energy
contained in the fuels used was utilised with an
efficiency rate of 52.6%.
Energetische Bewertung von feuerungstechnischen Anlagen und Anlagenverbundsystemen zur Aufdeckung von Einsparpotenzialen Energetic assessment of firing installations and
interconnected systems to identify savings
potentials
Zur kostengünstigen Herstellung von hochwertigen Nutzgütern ist der effiziente Einsatz von
Energie eine notwendige Voraussetzung, da in der
Vergangenheit die Kosten für primäre- und sekundäre Energieträger weiter angestiegen sind. Auch
zukünftig ist mit einem Anstieg der Energiekosten
zu rechnen. Zur effizienteren Nutzung von Energieträgern bzw. zur besseren Anlagenbeurteilung bzgl.
Wirkungsgrad, Energieeinsatz und –verlust, hat
das BFI energetische Bilanzierungen von Anlagen
und –verbundsystemen durchgeführt, siehe Bild 5.
Damit können Maßnahmen z. B. zur Verbesserung
des Wärmestroms erarbeitet werden. Für einen
Banddurchlaufofen konnte die in den jeweiligen
Zonen in das Nutzgut eingebrachte Wärmemenge
ermittelt werden. Zudem war es möglich Auswirkungen bei Veränderungen in der Energiezufuhr
auf die Anlage und das Nutzgut zu bestimmen. So
konnte beispielsweise durch kontrollierte Anpassung
des Brenngas/Luftverhältnisses bei Sicherstellung
der Produktqualität, der Gesamtanlagenwirkungsgrad um rd. 3 % erhöht werden. Auch die energetische Bilanzierung von Anlagenverbundsystemen
The efficient use of energy is essential for costeffective production of high-quality products. In
the past, the costs for primary and secondary
energy sources have risen steadily, and it is to be
expected that energy costs will continue to climb.
In order to utilise energy sources more efficiently
and to better assess the efficiency, energy input
and energy losses of plant and equipment, BFI has
analysed the energy balances of different plants
and interconnected systems, Fig. 5. This will allow
measures to be developed that will improve the
heat flow, for example. For a continuous strip
furnace it was possible to determine the amount
of heat introduced to the charge material in the
different zones. The effects of changes in the
energy supply on the plant and the charge material
were also identified. As one result of these insights,
an increase of some 3 % in overall efficiency was
achieved by controlled adjustment of the fuel
gas/air ratio while assuring consistent product
quality. Similarly, drawing up energy balances
for interconnected plants and systems enables
better assessment of the effects on the overall
12
ermöglicht es Auswirkungen auf das Gesamtsystem
z. B. durch Umverteilung von Energieströmen oder
bei Anlagenneubauten besser zu beurteilen. Mit Hilfe
der dann erarbeiteten Verbesserungsmaßnahmen
werden die Energiekosten gesenkt.
system produced by, for example, redistribution
of energy flows or modification of the equipment
involved. The energy costs can then be lowered
with the help of the improvements designed on
the basis of the findings.
Wiederverwendung der Niedertemperaturabwäme zur Verminderung des CO2-Ausstoßes in
der Stahlindustrie
Reuse of low temperature heat for the
reduction of CO2-impact of the steel industry
Zur Stahlproduktion und –verarbeitung sind
Temperaturen über 1.000 °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 1,000 °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 laufenden europäischen Forschungsprojekt untersucht das BFI zusammen mit sechs Projektpartnern aus Forschung und Industrie Möglichkeiten
In an ongoing European research project, BFI and
six project partners from the research and industry
are investigating the possibilities for reducing
Bild / Figure 5
Schematische Darstellung der Energieströme an einer Banderwärmungsanlage
Schematic of the energy flows in a continuous strip furnace
13
zur Verminderung des CO2-Ausstosses durch die
Nutzung der Niedertemperaturabwärme. Das Ziel
ist die Entwicklung von Konzepten und Werkzeugen
zu Umwandlung, Transport und Speicherung der
Abwärme bei Temperaturen unter 350°C.
Hierfür wurden in einem Hüttenwerk relevante
Abwärmeströme gemessen und Wiederverwendungsmöglichkeiten überprüft. Als Abwärmequellen
sind vor allem Kühlwässer, Abgase und die heißen
Produkte relevant (Bild 6). Die Abwärmemenge reicht
aus, um die identifizierten Bedarfe wie Brennluftund Prozessbadvorwärmung abzudecken. Während
die Abwärme im Abgas meistens mit bekannten
Techologien wiederverwendet werden kann, werden
im Rahmen dieses Forschungsprojektes innovative
Lösungen zur Nutzung der Strahlungswärme und
der Abwärme im Kühlwasser entwickelt.
Im weiteren Projektverlauf werden betriebliche
Tests zur Integration ausgewählter Technologien
zur Abwärmeumwandlung in die Produktionsprozesse durchgeführt. Die Wirtschaftlichkeit sowie
die Verminderung des CO2-Ausstosses durch die
vorgeschlagenen Maßnahmen werden mit Hilfe des
Modells eines virtuellen Hüttenwerkes abgeschätzt.
Das Model wurde auf Basis von Messdaten mit Hilfe
von ReMIND Software erstellt und ermöglicht die
Erarbeitung optimaler Lösungen zur kostengünstigen Verminderung des CO2-Ausstosses durch die
Wiederverwendung der Niedertemperaturabwärme.
CO2 emissions by utilising low-temperature waste
heat. The aim is 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
in a steel mill were measured and the possibilities
of putting them to use were reviewed. Waste heat
sources that are most relevant in this context are
cooling water, waste gases and the hot products
(Fig. 6). The quantity of waste heat is sufficient to
cover identified requirements such as combustion
air and process bath heating. Whereas the waste
heat in waste gas can usually be utilised with the
help of known technologies, this research project
will look into innovative solutions for using radiation heat and the waste heat in cooling water.
At a later stage in the project, field tests will
be conducted with a view to integrating selected
technologies for waste heat conversion into the
production processes. The economic efficiency and
the reduction in CO2 emissions achieved through
the proposed methods will be estimated with the
help of a model of a virtual steel mill. The model
was produced on the basis of measured data using
ReMIND software and allows the generation of
optimal solutions for cost-efficient reduction of
carbon emissions by utilising low-temperature
waste heat.
Steigerung der Energieeffizienz an
Schmiedeöfen mittels Niedertemperatur
abwärme-Verstromung
Increasing the efficiency of forging furnaces
by utilising low-temperature waste heat to
generate electricity
Bei der Herstellung hochwertiger Produkte und
Nutzgüter werden in der Eisen- und Stahlindustrie
To produce its high-quality products and materials, the iron and steel industry uses many
Bild / Figure 6
Abwärmeströme in einer Stranggießanlage
Waste heat flows in a continuous casting plant
14
Feuerungsanlagen auf technisch hohem Niveau
betrieben. Durch die Wärmebehandlung der
Produkte werden z. B. Werkstoff- und Oberflächeneigenschaften gezielt eingestellt. Der Abwärmestrom
aus den Feuerungsanlagen wird nur teilweise in
Wärmerückgewinnungssystemen oder gar nicht
genutzt. Große Wärmemengen gehen als Abgasverluste ungenutzt an die Umgebung verloren.
different facilities including technically sophisticated combustion plants. Heat treatments are
used to adjust and fine-tune the material and
surface properties of the products. The waste
heat from the combustion plants is used only
partially in heat recovery systems or not at all.
Large quantities of heat are dissipated unused to
the environment as waste gas losses.
Daher ist das Ziel eines Verbundvorhabens am
Beispiel von zusammengeschalteten Schmiedeöfen
die Steigerung der Anlagenwirkungsgrade und die
Senkung des Fremdstrombezuges durch die Verstromung der Abwärme in einer ORC-Anlage. Hierfür
wurde ein Konzept zur effizienten Zusammenführung der bis zu 500°C heißen Abwärmeströme
unterschiedlicher Schmiedeöfen in gedämmten
Leitungen entwickelt. Durch systematische Langzeitmessungen wurden die jeweiligen Abwärmepotentiale ermittelt und Energiebilanzen zur
Abschätzung der zu erwartenden Wärmeströme
in Abhängigkeit der jeweiligen Betriebszustände
der Schmiedeöfen durchgeführt und eine Abgassammelleitung mit redundant ausgeführten Saugzuggebläsen wurde installiert, (Bild 7). Mithilfe von
entwickelten Planungsmodellen ist es möglich, den
Abwärmestrom in der Abgassammelleitung der
Schmiedeöfen vorauszusagen. Darauf basierend
kann durch angepasste Fahrweise der Schmiedeöfen
zukünftig die zu erzielende Stromausbeute maximiert werden, ohne die Produktion und Produktqualität zu beeinträchtigen. Im nächsten Schritt wird
eine ORC-Anlage mit einer Leistung von bis zu
300 KWel zur Verstromung des heißen Abgases
installiert.
The objective of a joint project involving interconnected forging furnaces is therefore to increase
the plant efficiency and to reduce the dependency
on external power supply by generating electricity from waste heat in an ORC plant. Therefor
a concept was developed for efficient merging of
waste heat flows coming from different forging
furnaces with temperatures up to 500°C in an
insulated pipe. Systematic longterm measurements were recorded to determine the waste heat
potentials in different cases. Energy balance calculations were performed to estimate the expected
heat flows as a function of the operating statuses
of the individual forging furnaces. The waste gas
collection pipe with redundant fans has been
installed (Fig. 7). With the help of developed planning models it is possible to predict the waste
heat flow in the waste gas collection pipe of the
forging furnaces. Based on this the operation
mode of the forging furnaces can be adjusted to
maximize the generation of electricity without
affecting the production and product quality.
The next step will be the installation of an ORC
plant which will generate up to 300 KWel from
the hot waste gas.
Bild / Figure 7
Fotografische Ansicht der Abgassammelleitung mit eingehausten Gebläsen, Abgaskamin und Anschluss für die ORC-Anlage
Photograph of the waste gas collection pipe with encased fans, waste gas stack and connection point for the ORC plant
15
Kreislaufschließung von Metallen und Spülwasser
in der Weißblech-Produktion
Closing the loop for metals and rinsing water in
tinplate production
In einem Forschungsvorhaben hat das BFI ein
neues Verfahren zur Zinnrückgewinnung sowie
zur Kreislaufschließung von Spülwasser entwickelt
und dieses an einer Veredelungsanlage über einen
mehrwöchigen Zeitraum erprobt. Hauptinnovation
ist der Einsatz der Membrantechnik zur Rückgewinnung der wertvollen Metallionen aus dem sauren
Spülwasser der Verzinnung und die betriebliche
Erprobung auf Basis von maßgeschneiderten säurestabilen Membranmodulen.
In a research project, BFI has developed a new
process for recovering tin and for closed-circuit
operation of rinsing water and tested this over
a period of several weeks in a tinning line. The
main innovation here is the use of membrane
technology for recovering the valuable metal
ions from the acidic rinsing water used in
the tinning process and testing of the process
under shop conditions with the aid of tailor-made
acid-resistant membrane modules.
Grundlage der Untersuchungen bilden systematische Membranlaborversuche zu Rückhalt,
Permeatfluss und Membranbeständigkeit. Zur
Aufbereitung von saurem Spülwasser der Weißblechproduktion wurden hierfür säurebeständige polymere Membranen getestet. Die für die
Laborversuche ausgewählten Nanofiltrations- und
Umkehrosmose-Membranen weisen einen sehr guten
Zinn-Rückhalt auf. Das eingesetzte betriebliche
Spülwasser enthielt in den Laborversuchen eine
Zinnkonzentration von maximal 5000 mg/l, während
diese im Permeat mit <60 mg/l Zinn gemessen wurde.
Dies entspricht einem Zinn-Rückhalt von etwa 99%.
Für die Umkehrosmosemembranen wurde ein hoher
Säurerückhalt von mehr als 90% ermittelt. Die
auf konzentrierte Säure kann für einen erneuten
Einsatz im Elektrolyten eingesetzt werden.
The investigations were based on systematic
laboratory testing of the membranes to determine
retention rates, permeate flux rates and membrane
resistance. For treatment of the acidic rinsing water
in tinplate production, acid-resistant polymer
membranes were tested. The nanofiltration and
reverse osmosis membranes selected for lab-scale
testing showed very good tin retention rates. The
rinsing water received from an industrial tinning
line for the lab tests had a tin concentration of
up to 5000 mg/l, whereas the concentration of
tin in the permeate was measured at <60 mg/l.
This is equivalent to tin retention rate of about
99%. The reverse osmosis membranes achieved
a high acid retention rate of more than 90%.
This reconcentrated acid can then be reused in
the electrolyte.
Die betriebliche Erprobung des Membranverfahrens erfolgte im Bypass einer betrieblichen
Verzinnungsanlage, Bild 8 und Bild 9. Voraussetzung
Shop testing of the membrane technique was
performed in the bypass of an industrial tinning
line, Fig. 8 and Fig. 9. The prerequisite for longterm
Bild / Figure 8
Bild / Figure 9
Betriebsversuche an einer Veredelungsanlage für die Weißblechproduktion
Shop testing on a tinning line for tinplate production
Mobile BFI-Technikumsanlage zur Zinnrückgewinnung
Mobile BFI pilot system for tin recovery
16
für einen langzeitstabilen Betrieb war neben der
Auswahl chemisch resistenter Membranmaterialien
ein geeigneter, säurestabiler Membranmodul- und
Anlagenbau. Die eingesetzten Modulprototypen
erwiesen sich über dem mehrwöchigen Untersuchungszeitraum als chemisch beständig. Das
metallhaltige Konzentrat konnte in den Elektrolyten zurückgeführt werden, das Permeat der
Umkehrosmose lässt sich erneut als Spülwasser
einsetzen. In den Betriebsversuchen im Bypass
der Verzinnungsanlage wurden bei einem Druck
von 30 bar Permeatflüsse bis 16 l/m² h ermittelt.
stable operation was not only selecting chemically
resistant membrane materials but also designing
the membrane module and other equipment for
acid resistance. The module prototypes used proved
to be chemically resistant throughout the test
period lasting several weeks. The metal-containing
concentrate was fed back into the electrolyte, and
the permeate from reverse osmosis can be reused
as rinsing water. In the shop trials in the bypass
of the tinning line, permeate flux rates of up to
16 l/m² h were measured at a pressure of 30 bar.
Durch den Einsatz der Membrantechnik kann
zinnhaltiges Spülwasser aus der Weißblechproduktion energieund ressourcenschonend aufbereitet werden. Das entwickelte Verfahrenskonzept
ermöglicht die Rückgewinnung der Wertstoffe aus
dem Spülwasser, d.h. Rückführung der Metalle,
Säuren und organischen Additive in den Elektrolyten, sowie die erneute Nutzung des gereinigten
Filtrats als Spülwassers.
By using membrane technology it is possible
to treat tin-laden rinsing water from tinplate
production in an energy and resource conserving
way. The process concept which was developed
makes it possible to recover valuable substances
from the rinse water, i.e. return metals, acids and
organic additives to the electrolyte and reuse the
cleaned filtrate as rinsing water.
Betriebliche Online-Überwachung von Beizbädern
Industrial online monitoring of pickling baths
Beim Beizen von Stahloberflächen wird das
Stahlband durch ein hoch aggressives Säurebad
geführt. Dort werden die in nachfolgenden Prozessschritten Kaltwalzen 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.
During pickling of steel surfaces, the strip is passed
through a highly aggressive acid bath. Here, layers
of scale which would disrupt subsequent process
steps 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
Bild / Figure 10
Bild / Figure 11
BFI-DynAcid®-Messstrecke zur Prozessüberwachung in Beizbädern
BFI-DynAcid® measuring system for process monitoring of
pickling baths
Multisensor-Laborversuchsanlage für Untersuchungen mit
Säuregemischen
Multi-sensor laboratory plant for investigations in acid mixtures
17
Das vom BFI entwickelte online-Messverfahren
BFI-DynAcid® liefert zur Prozessüberwachung von
Beizbädern kontinuierlich die Betriebsdaten der
Säure- und Salzkonzentration, Bild 10. Diese können
direkt in das betriebliche Prozesssteuerungskonzept
eingebunden, für den Betreiber visualisiert und zur
Steuerung der Säuredosierung verwendet werden.
Die Messtechnik BFI-DynAcid® dient somit zur
Prozessüberwachung und zur Qualitätskontrolle
und führt oftmals zu deutlichen betrieblichen
Kosteneinsparungen. Die DynAcid®-Messtechnik
wurde erfolgreich national und international an
HCl-Beizlinien installiert.
instance). The online measuring technique BFIDynAcid®, which BFI developed for monitoring
pickling bath processes, delivers continuous operating data on the acid and salt concentrations, Fig.
10. 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 achieve significant savings in operating
costs. DynAcid® systems have been successfully
installed on HCl pickling lines both inside and
outside Germany, e.g. in Turkey and South Korea.
Eine betriebliche Demonstration an einer schwefelsauren Beizlinie hat erfolgreich gezeigt, dass unter
Verwendung der Konzentrationswerte sowie weiterer
verfügbarer Prozessdaten eine vollständige Steuerung der Linie über ein neuronales Netzwerkmodell
möglich ist, bspw. durch Vorgabe der optimalen
Bandgeschwindigkeit bei gleichzeitiger Minimierung der Fehlerrate des zu beizenden Stahlbandes.
An industrial demonstration on a sulphuric
acid pickling line successfully showed that by
using the concentration values as well as other
available process data, it is possible to control the
line completely via a neural network model, for
example by inputting the optimum strip speed
while reducing the defect rate of the steel strip
being pickled.
Im Rahmen aktueller Forschungsprojekte wurden,
ergänzend zu den bereits bearbeiteten Beizsäuren
Schwefel- und Salzsäure, Arbeiten zur Anwendung des integralen Messverfahrens für Beizsäuregemische mit drei Hauptkonzentrationsgrößen
(z.B. HNO3-HF-Metallsalze und HCl-Fe-Fe3+) durchgeführt, Bild 11. Ein weiteres Projekt beinhaltet die
betriebliche Umsetzung des online-Messverfahrens
für HNO3-HF-Mischsäure zur Edelstahlherstellung
und die Optimierung der Konzentrationsregelungsmodelle.
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. HNO3-HF metal salts and
HCl-Fe-Fe3+), Fig. 11. One further project includes
the industrial implementation of the online monitoring technique for HNO3-HF mixed acid for
stainless steel production and the optimisation
of the concentration control models.
Kontinuierliche Reinigung von KaltwalzEmulsionen durch Membranfiltration
Continuous cleaning of cold-rolling emulsions
by membrane filtration
In einem Kooperationsprojekt hat das BFI ein neues
Verfahren zur Emulsionsreinigung entwickelt und
mit betrieblichen Kaltwalz-Emulsionen erprobt.
Neu ist die Nutzung der Membranfiltration zur
kontinuierlichen Emulsionsreinigung im Kreislauf,
im Gegensatz zur Nutzung als nachgeschaltetes
Verfahren für verworfene Emulsionen. Das Verfahrensziel ist eine kontinuierliche chemikalienfreie
Reinigung von Emulsionen, mit der Feststoff-Partikel
und demulgiertes Fremdöl entfernt werden, aber
das für den Kaltwalzprozess notwendige emulgierte Öl im Kreislauf verbleibt. Dadurch sollen die
Qualität der Emulsion verbessert und die Standzeit
verlängert werden.
In a joint project, BFI has developed a new
process for cleaning emulsions and tested this
in the field with industrially used emulsions. The
new aspect is the utilisation of membrane filtration for in-service emulsion cleaning in a closed
cycle, instead of as an „end-of-pipe“ technique
for treating discarded emulsions. The aim of the
process is to achieve continuous chemical-free
cleaning of emulsions by separating out solid
particles and demulsified tramp oil while allowing
the emulsified oil required for the cold-rolling
process to remain in the circuit. This should ultimately improve the quality of the emulsion and
prolong its service life.
18
In Laborversuchen wurden ausgewählte Mikrofiltrationsmembranen aus Keramik und Stahl getestet (Bild 12). Mit zwei gewebten Stahlmembranen
wurde exemplarisch eine feststoffhaltige betriebliche „Kaltwalzemulsion A“ für Bandstahl filtriert.
Es wurde ein Feststoffrückhalt von 20 % - 50 %
ermittelt – ebenso ein unerwünschter Ölrückhalt
in gleicher Größenordnung. Dies ist auf die speziellen Emulsionseigenschaften zurückzuführen:
die Feststoffe lagen in niedriger Konzentration
in identischer Größenordnung wie die Öltropfen
vor und wurden somit von der Mikrofiltrationsmembran zu einem ähnlichen Anteil wie das Öl
zurückgehalten.
In laboratory tests, selected microfiltration
membranes made of ceramics and steel were
tested (Fig. 12). Two woven steel membranes were
used to filter a typical “cold-rolling emulsion
A” for strip steel that had been used in actual
practice and contained solid particles. A solids
retention rate of 20 to 50% was determined –
but at the same time an undesired oil retention
rate of the same order. This is attributable to the
special characteristics of the emulsion: the solids
were present in low concentration in the same
size range as the oil droplets and were therefore
retained by the microfiltration membrane in a
percentage similar to the retention of oil.
Bei der Filtration einer betrieblichen „Kaltwalzemulsion B“ der Rohrherstellung wurde ein besseres
Verhältnis von Feststoffrückhalt und Ölrückhalt
erzielt. Der Feststoffrückhalt lag bei 10 % - 40 %,
um Faktor 2 - 3 über dem Ölrückhalt. Die Feststoffabtrennung mit geringem Ölverlust gelingt
also bei dieser stärker verschmutzten stabilen
Emulsion besser.
Upon filtration of a “cold-rolling emulsion B”
that had been used to produce tube material,
the ratio of solids to oil retention improved. At
10 to 40%, the solids retention rate was a factor
of 2 to 3 above the oil retention rate. Removal
of the solids with low oil loss is therefore more
successful with this more highly contaminated
but stable emulsion.
Bild / Figure 12
Membranen der Laborversuche, Materialien von links nach rechts:
Al2O3, SiC, Al2O3, Al2O3, gesinterter Stahl, mehrlagiger gewebter
Membranes used in laboratory tests; materials from left to right: Al2O3,
SiC, Al2O3, Al2O3, sintered steel, multi-layer woven steel
Bild / Figure 13
Mobile BFI-Technikumsanlage zur Mikrofiltration
Mobile BFI pilot system for microfiltration
19
Die Betriebsparameter für die Filtration wurden
in Versuchen mit der BFI-eigenen mobilen Technikumsanlage (Bild 13) bestimmt. Abschließend
wurde das Verfahren im Bypass zum Emulsionskreislauf einer Kaltwalzstraße für Bandstahl
erprobt. Es wurde eine hohe Filtratleistung von
1000-2000 l/m²h erreicht (Filtrat bezogen auf
Membranfläche in m²). Mit der gewebten Stahlmembran konnte ein Feststoffrückhalt von ca. 50 % bei
einem Ölrückhalt von nur ca. 10 % erzielt werden.
Mit diesem niedrigen Verlust an emulgiertem Öl
ist die gewebte Stahlmembran geeignet zur Feststoffabtrennung aus Emulsionen. Die Membranfiltration stellt damit eine neue Verfahrensoption
zur kontinuierlichen Emulsionsreinigung dar.
The operating parameters for filtration were
determined in tests on BFI’s own mobile pilot
system (Fig. 13). Following this, the technique
was tested in the bypass of the emulsion circuit
in a steel strip cold-rolling mill. A filtration
performance of 1000 – 2000 l/m²h was achieved
(permeate flux rate referred to membrane area
in m²). With the woven steel membrane a solids
retention rate of approx. 50% was achieved with
an oil retention rate of only about 10%. With this
low rate of emulsified oil loss, the woven steel
membrane is suitable for separating out solids from
emulsions. Membrane filtration therefore offers
a new option for continuous emulsion cleaning.
Hochdruck-Wasserstrahlen zur Entzunderung von
Stahldraht
High pressure water jet treatment for descaling
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
Stahlsorten 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 VorbehandlungsChemikalien 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 and results in higher consumption of
pretreatment chemicals and acids, which in turn
drives up disposal costs.
Bild / Figure 14
Strahlbild beim Hochdruck-Wasserstrahlen eines Drahtcoils
Jet pattern during high pressure water jet treatment of a wire coil
20
In einem laufenden europäischen Forschungsprojekt untersucht das BFI zusammen mit vier
Projektpartnern aus Forschung und Industrie das
Hochdruck-Wasserstrahlen zur Entzunderung von
Drahtcoils. Ziel ist die Steigerung der Beizeffizienz
und Einsparung von Ressourcen.
In an ongoing European research project, BFI and
four project partners from research and industry
are investigating 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 HochdruckWasserstrahlen von einzelnen Stahldrähten und
geschichteten Stahldrähten entsprechend der Geometrie im Drahtcoil durchgeführt. Mit WasserstrahlDrücken unter 1000 bar kann der nach einem ersten
Beizschritt gebildete oberflächliche Wischzunder
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 below 1000 bar
it is possible to remove the scale formed on the
surface of the steel wires during a first 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 (Bild 14). Trotzdem kann bei
geeigneter Verfahrensführung auch beim Drahtcoil
ein großer Teil des Wischzunders durch HochdruckWasserstrahlen 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 its impact
(Fig. 14). 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.
Mit der Installation einer Wasserstrahl-Entzunderung in einer Beizlinie und anschließenden Tests
wird das Verfahren an die industriellen Anforderungen angepasst. Herausforderungen sind dabei
unter anderen die benötigte Relativbewegung
zwischen Drahtcoil und Düsen sowie die Prozesssicherheit. Die variable Geometrie der Drahtcoils
birgt die Gefahr der Kollision von Drahtwindungen
und Düsen, daher ist insbesondere der Abstand
zwischen Düse und Drahtcoil zu optimieren.
A water jet descaling system is to be installed
in a pickling line and tested in order to adapt the
process to meet industrial needs. The challenges
here are to achieve the required relative motion
between the wire coil and the nozzles and to
assure process reliability. Because of the variable
geometry of the wire coils there is a risk that
wire windings may collide with the nozzles, so
that a main focus will be to optimise the distance
between the nozzle and the coil.
Im weiteren Projektverlauf werden umfangreiche
Tests zur Entzunderung von Drahtcoils verschiedener Stahlsorten durchgeführt. Die Untersuchung
des Einflusses des Hochdruck-Wasserstrahlens auf
das nachfolgende Drahtziehen sowie eine KostenNutzen-Analyse des neuen Verfahrens bilden weitere
Inhalte des Forschungsprojektes.
At a later stage in the project extensive descaling
tests will be carried out using different grades of
steel. Further objectives of the research project
include an investigation of how high pressure
water jet treatment influences subsequent wire
drawing as well as a cost-benefit analysis of the
new technique.
Aufbereitung von Spülwässern aus Beizlinien
Treatment of rinsing water from pickling lines Ein entscheidender Schritt für die Erzeugung
qualitativ hochwertiger Blechoberflächen in Kaltwalzwerken ist das Beizen. Hierunter wird das
chemische Entfernen von Oxidschichten (Zunder)
und anderen Verunreinigungen mit Hilfe starker
Mineralsäuren verstanden. Anschließend an das
Beizen muss die Metalloberfläche von verbleibender
Beizsäure, Salzen und abgelösten Zunder befreit
One crucial step in producing high-quality
strip 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 mineral acids. After pickling, the metal
surface must be freed from remaining pickling
acid, salts and detached scale. This is usually
done in a cascade of rinsing baths filled with
21
werden. Hierzu werden meist kaskadiert angeordnete Spülbäder verwendet, die mit vollentsalztem
Wasser mit einer Leitfähigkeit von ca. 0,1 mS/cm
betrieben werden. Durch die Spülung reichert sich
die Spüllösung mit Salzen, Säuren etc. an und muss
zur Sicherung der Oberflächenqualität verworfen
werden. Die Aufbereitung verbrauchter Spülwässer
und die Rückgewinnung hochwertigen Prozesswassers ist wirtschaftlich meist zu aufwendig.
deionised water with a conductivity of approx.
0.1 mS/cm. During the rinsing process, the water
in the baths becomes laden with salts, acids etc.
and must be discarded to assure the quality of
the product surface. The treatment of used rinse
water to recover high-quality process water is
normally too costly to be profitable.
Das BFI untersucht daher alternative Trennverfahren wie Membrandestillation und Gefrierkonzentration hinsichtlich ihrer Trennleistung und
Wirtschaftlichkeit im industriellen Einsatz, siehe
Bild 15.
BFI is therefore investigating alternative separation methods such as membrane distillation and
freeze concentration to assess their performance
and cost-effectiveness in industrial use, see Fig. 15.
Betriebliche Niedertemperaturabwärme (bis
200 °C) kann beim Einsatz der Membrandestillation
verwendet werden. In Untersuchungen wurden die
Parameter Feedtemperatur, Permeattemperatur
sowie Überströmungsgeschwindigkeit variiert.
Als Feedlösung diente sowohl Modellösung aus
Eisennitrat Fe(NO3)3 mit einer Leitfähigkeit von
ca. 13 mS/cm bei Raumtemperatur als auch
betriebliches Spülwasser einer Beizlinie für kaltgewalzte Bänder. Darüber hinaus wurden Arbeiten
zur Membrancharakterisierung vor und nach der
Einlagerung in saurem Spülwasser durchgeführt.
Low-temperature waste heat (up to 200°C) from
production operations can be used in the case of
membrane distillation. In tests, the parameters
of feed temperature, permeate temperature and
overflow rate were varied. The feed solutions
employed were a model solution consisting of ferric
nitrate Fe(NO3)3 with a conductivity of approx.
13 mS/cm at room temperature as well as spent
rinsing water from an industrial pickling line
for cold-rolled strip. In addition, work has been
carried out on membrane characterisation before
and after storage in acidic rinsing water.
Sowohl die theoretischen als auch praktischen
Ergebnisse zeigten, dass die Feedtemperatur einen
wichtigen Einfluss auf den Permeatfluss hat, da
der Dampfdruck von Wasser exponentiell mit der
Temperatur ansteigt. Hingegen hat die Permeattemperatur weniger Einfluss. Darüber hinaus wurde
festgestellt, dass der Permeatfluss mit steigender
Überströmungsgeschwindigkeit ansteigt. Der maximale gemessene Permeatfluss der untersuchten
PP-Membran betrug 8,4 l/m²h bei einer Feedtemperatur von 70 °C und einer Permeattemperatur
von ca. 40 °C.
Both the theoretical and the practical results
show that the feed temperature has a major influence on the permeate flux as the vapour pressure
of water rises exponentially with temperature.
The permeate temperature, on the other hand,
is of lesser importance. It was also found that
the permeate flux increases as the overflow rate
rises. The maximum permeate flux measured
with the studied PP membrane was 8.4 l/m²h
at a feed temperature of 70°C and a permeate
temperature of approx. 40°C.
Bild / Figure 15
Klassische und neue Verfahren zur Aufbereitung von Spülwässern aus Beizprozessen
Classical and new methods for treatment of rinsing water from pickling lines
22
Energy and Resources | Resource Technologies
Beim Einsatz betrieblicher Spülwässer zeigte sich,
dass Säuredampf die Membran passieren kann, so
dass ein Leitfähigkeitsanstieg im Permeat erfolgt
und damit die Effektivität der Spülwasseraufbereitung beeinflusst wird. Ggf. müsste daher das
verbrauchte Spülwasser vor der Behandlung mittels
Membrandestillation neutralisiert werden.
When rinsing water from industrial sources
was used, it was found that acid vapours can
pass through the membrane, resulting in higher
conductivity of the permeate and thus diminishing
the effectiveness of the rinsing water treatment.
The used rinsing water may have to be neutralised
before membrane distillation treatment.
Bei der Gefrierkonzentration wird das belastete
Spülwasser auf Temperaturen unterhalb des Gefrierpunktes abgekühlt. Dadurch bildet sich salzfreies Eis
im Spülwasser. Bei optimaler Prozessführung kann
das Eis in hoher Reinheit erzeugt und anschließend
vom verbleibenden Spülwasser abgetrennt werden.
Das verbleibende Spülwasser soll dabei idealer
Weise so hoch auf konzentriert werden, dass es
in den Beizprozess zurückgeführt bzw. in einer
angeschlossenen Regeneration behandelt werden
kann. Somit ist es möglich, mit dem Prozess der
Gefrierkonzentration eine vollständige Kreislaufschließung ohne Reststoffe zu ermöglichen. Eine
Ressourcenschonung wird nicht nur im Bereich des
Spülwassers sondern auch im Bereich der Frischsäuren erreicht.
In the case of freeze concentration, the
contaminated rinsing water is cooled to a temperature below the freezing point. This results in the
formation of a nearly salt-free ice in the rinsing
water. If the process is properly controlled, it
is possible to produce ice with a high degree of
purity which can then be separated out from the
remaining rinsing water. Ideally, the remaining
rinsing water should be reconcentrated to an
extent that it can be returned to the pickling
process or treated in an associated regeneration
plant. The freeze concentration process thus makes
it possible to operate a closed loop without any
residual substances. This conserves resources
not only at the rinsing water level but also as
regards the fresh acids.
Im Rahmen des Projektes wurden Laborversuche
zur Auswahl einer geeigneten Wärmetauschergeometrie durchgeführt. Darauf aufbauend wird
aktuell eine Demonstrationsanlage entwickelt, die
ein Gefrieren des Eises und dessen Abtrennung
realisiert. Gleichzeitig werden insbesondere die
Steuer- und Regelparameter des Kühlaggregates
optimiert.
In the course of the project, lab tests were
conducted to select an appropriate heat exchanger
geometry. Building on this, a demonstration unit
is now being developed which will allow freezing
of the ice and its recovery. At the same time,
the control and regulating parameters of the
refrigeration unit are being optimised.
Die Laborversuche an unterschiedlichen Wärmetauschergeometrien zeigten, dass eine deutliche
Abreicherung von Ionen im Eis möglich ist. Mit
einer Leitfähigkeit von ca. 3 mS/cm, wie sie bei
einem Temperaturgradienten von 0,05 °C/min
erreicht wurde, ist in einer mehrstufigen Spüle
der Einsatz in der Zwischenspüle möglich. In der
Endspüle wird jedoch zumeist ein Zielwert von
0,1 mS/cm gewünscht. Eine Optimierung wird an
der Technikumsanlage durch die Anpassung der
Prozessführung sowie der Reglerparameter erfolgen.
Laboratory testing of different heat exchanger
geometries showed that it is possible to significantly reduce the concentration of ions in the
ice. With a conductivity of approx. 3 mS/cm,
as achieved with a temperature gradient of
0.05 °C/min, the resulting water could be used
in the intermediate rinse of a multistage rinsing
cascade. In the final rinse, the target value is usually
0.1 mS/cm. The pilot plant will be refined still
further by adapting the process control system
and the controller parameters.
Weiterentwicklung der AOX-Messtechnik in
wässrigen Proben und an Rohstoffen zur
Vermeidung von Fehlmessungen
Further development of AOX measuring
technology for aqueous samples and for raw
materials to avoid measurement errors
In den Industrien des produzierenden Gewerbes
fallen Abwasserströme an, die adsorbierbare organisch gebundene Halogene (AOX) enthalten, die
vor der Ableitung kostenintensiv behandelt bzw.
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
23
Energie- und Ressourcentechnik | Ressourcentechnologie
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. Die adsorbierbaren organischen Halogene werden als Summenparameter AOX gemessen.
Die Behandlungs- und Entsorgungskosten sowie
die Genehmigung der Ableitung hängen von der
Konzentration des gemessenen Summenparameters
AOX ab.
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.
The adsorbable organic halides are measured as the
sum parameter AOX. The treatment and disposal
costs and the permits for discharge depend on
the measured AOX concentration.
Unterschiedliche Wasserinhaltsstoffe wie Chloride,
organische Verbindungen, Schweb- und Feststoffe
beeinflussen die gemessenen AOX-Konzentrationen.
Daraus resultieren Messwertschwankungen bis zu
1.000 %, die im Rahmen von Voruntersuchungen
bei Parallelmessungen der AOX-Konzentration in
zertifizierten Labors ermittelt wurden. Entsprechend
können scheinbare Grenzwertüberschreitungen
vorliegen, die behördliche Maßnahmen wie z.B.
Erhöhung der Abwassergebühr, Umstellung von
Betriebsmitteln und Bau von Abwasserbehandlungsanlagen zur Folge haben. Die Probleme bei der AOXMessung liegen in der bislang wenig bestimmten
Wirkung von Störstoffen auf das Analysenergebnis
sowie in der uneinheitlichen Vorgehensweise zur
Different constituents in water, such as chlorides, organic compounds, suspended solids,
etc., will influence the actual AOX concentration
measured. This can result in fluctuations of up
to 1000% in measured values, as determined in
preliminary studies with parallel measurements
of AOX concentrations in certified laboratories.
This 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. The problems with AOX measurement lie in the asyet little investigated effects
of interfering substances on the analysis results
and in the differences in sample preparation and
Bild / Figure 16
AOX-Messgerät (links) mit Vorrichtung zur Probenvorbereitung (rechts)
AOX-Measuring device (left) with sample preparation device (right)
24
Energy and Resources | Resource Technology
Probenvorbereitung und Analysendurchführung.
Daraus ergeben sich Fehlmessungen und ein eingeschränkte Vergleichbarkeit der Messergebnisse. Dies
führt zu einer ungenauen Kenntnis der tatsächlichen Prozesswasserzusammensetzung. Belastbare
Informationen zur Beurteilung der Effektivität
von Behandlungsverfahren zur AOX-Reduzierung
liegen so nur eingeschränkt vor.
analytical procedures. This leads to measurement
errors, limited comparability of the measurement results, and ultimately a lack of accurate
knowledge concerning the actual composition of
the process water. There is little or no reliable
information for assessing the effectiveness of
treatment methods for reducing AOX levels.
Basierend auf dieser Ausgangslage wurde vom BFI
ein zweijähriges Forschungsprojekt zur Weiterentwicklung der AOX-Messtechnik begonnen. Ziel des
Projektes ist die Ermittlung und Charakterisierung
von Störstoffen sowie der daraus resultierenden
notwendigen Anpassung der Probenvorbereitung
und Analysendurchführung. Die Einbeziehung
wesentlicher Branchen des produzierenden
Gewerbes, Normungsverbände und Aufsichtsbehörden in das Forschungsvorhaben trägt zu einer
allgemein Akzeptanz bei und sichert die breite
Ergebnisnutzung. Mit den Forschungsergebnissen
wird eine AOX-Messtechnik erwartet, die sichere
und reproduzierbare Messergebnisse erbringt und
somit den Betrieben eine eindeutige Aussage über
deren Prozesswasserzusammensetzung erlaubt.
Based on this situation, BFI applied for funding
for a two year research project to further develop
AOX measuring technology. The aim of this
project is the determination and characterisation of interfering substances and the resulting
necessary adjustments to the sample preparation and analysis procedures. The inclusion of
major branches of the manufacturing industry,
standardisation organisations and regulatory
authorities in the research project has helped to
achieve general acceptance and will assure broad
use of the results. The research work is expected
to produce an AOX measuring technique that
delivers reliable and reproducible measurement
results, thus allowing plants and factories to draw
clear conclusions about the composition of their
process water.
Neues Verfahren zur Entfernung von Partikeln
aus Kühlwasserkreisläufen mit Starkfeldmagneten
New process for the removal of particles from
cooling water systems with strong magnetic
fields
In der eisen-, stahl- und metallverarbeitenden
Industrie erfolgt ein produktionsbedingter Eintrag
von Zunder und metallischen Partikeln in Kühlwasserkreisläufe. Zur Vermeidung von Ablagerungen und
erhöhtem Verschleiß von Pumpen und Düsen müssen
der Zunder und die metallischen Partikel entfernt
werden. Im Allgemeinen wird 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, muss aufgrund des Einsatzes von Filterhilfsmitteln kosten-intensiv entsorgt werden.
Das BFI hat im Rahmen eines Forschungsvorhabens
ein Verfahren auf Basis der Starkfeldmagnetabscheidung zur Abtrennung von magnetisierbaren
Partikeln (Zunder, Metallabrieb) insbesondere für
Partikelgrößen zwischen 0,1 μm und 100 µm entwickelt. Hierzu wurden die spezifischen betrieblichen
Anforderungen unterschiedlicher verarbeiteter
Werkstoffen u.a. Edelstahl, Werkzeugstahl, Baustahl,
insbesondere aus dem Bereich des Warmwalzens,
In the iron and steelmaking and metal processing
industries, scale and metallic particles automatically
find their way into cooling water 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 cooling water in sedimentation tanks, while
particles smaller than 100 μm are trapped in silting
filtration systems. The arising sludge, consisting of
metals (valuable substances) and other particles,
has to be disposed of at high cost because of the
required filtration additives.
In the course of a research project, BFI has developed a technique based on strong magnetic field
separation to separate out magnetisable particles
(scale, abraded metal), particularly for particle
sizes ranging between 0.1 μm and 100 µm. For
this purpose, the specific processing requirements
of different material grades, including stainless
steel, tool steel, structural steel, especially from
hot-rolling operations, were studied in terms of
25
in Bezug auf die Reinigungseffizienz (Abscheidegrade über 90% bzw. 95%) sowie die Kühlwasserzusammensetzung und Zundereigenschaften
ermittelt. Basierend auf den Ergebnissen erfolgte
die Ermittlung der geeigneten Magnetposition und
– anzahl, deren Eignung in Laborversuchen nachgewiesen werden konnten. Auf Grundlage dessen
erfolgten der Bau und die Inbetriebnahme einer
mobilen Versuchsanlage für einen Durchsatz von
4,5 m³/h mit 20 Magneten, einem Düsensystem zur
Magnetreinigung bzw. zum Zunderaustrag sowie
einer Volumenstrom- und Trübemessung zum
Einsatz im Bypass zu betrieblichen Kühlkreisläufen,
Bild 17 und 18.
In drei exemplarisch untersuchten betrieblichen
Kühlwasserkreisläufen (verarbeitete Werkstoffe:
Edelstahl, Werkzeugstahl, Baustahl) konnten
mit der mobilen Versuchsanlage Abscheidegrade
bis zu 98% in Abhängigkeit von der Zunderkonzentration im Kühlwasser erreicht werden. Des
Weiteren konnten auch bei stark schwankenden
Zulaufkonzentrationen (Beispiel Baustahl: 132 mg/l
bis 2.345 mg/l) konstante Ablauf konzentrationen
kleiner 85 mg/l erzielt werden. Die Aufkonzentrie-
cleaning efficiency (separation rates of above 90%
or 95%) as well as cooling water composition and
scale characteristics. The results were used to
determine appropriate magnet positions and the
number of magnets required, the suitability of
the magnets themselves being demonstrated in
laboratory tests. Based on these findings, a mobile
pilot plant was constructed and put into operation. It is designed to handle a flow rate of 4.5
m³/h and has 20 magnets, a nozzle system for
cleaning the magnets and evacuating scale, as
well as a flow and turbidity measuring system
and can be used in the bypass of cooling water
circuits, Fig. 17 and 18.
In three industrial cooling water circuits that
were studied as representative examples (processed
materials: stainless steel, tool steel, structural
steel), the mobile test unit achieved separation
rates of up to 98%, depending on the concentration
of scale in the cooling water. Moreover, even with
highly fluctuating concentrations in the inflow
(example: 132 mg/l to 2345 mg/l in the case of
structural steel), a constant outflow concentration
of less than 85 mg/l was achieved. The volumetric
Bild / Figure 17
Bild / Figure 18
Mobile Versuchsanlage im Betriebseinsatz
Mobile pilot plant in operational use
Kühlwasserproben vor und nach der Magnetabscheidung
Cooling water samples before and after magnetic separation
26
rungsfaktoren der Partikel wurden mit 130 bis 950
ermittelt (Sandfilter: Faktor 10 bis 20). Der weiter
zu behandelnde Konzentratvolumenstrom bei der
Magnetabscheidung (Annahme: Auf konzentrierungsfaktor: 250) ist somit über Faktor 10 geringer
als bei einer kontinuierlichen Sandfiltration, was
zu erheblich geringeren Investitionskosten für eine
Schlamm-Entwässerungseinheit führt.
retention factor for the particles was determined
as 130 to 950 (sand filter: factor 10 to 20). The
volumetric flow of concentrate requiring further
processing after magnetic separation (assuming a
volumetric retention factor of 250) is therefore 10
times smaller than with continuous sand filtration, which significantly reduces the investment
costs for a sludge dewatering unit.
Bei Betrachtung eines zu behandelnden Volumenstroms von z.B. 500 m³/h weist die Magnetabscheidung einen Raumbedarf von 15 m² bis 20 m² im
Vergleich zu 200 m² bis 300 m² bei Einsatz einer
kontinuierlichen Sandfiltration auf. Eine Verwertung des abgeschiedenen Zunders ist prinzipiell in
Sinteranlage möglich, wobei je nach Anforderungen
des Verwerters eine Vorbehandlung (Entölung) des
abgeschiedenen Zunders vorzusehen ist.
For treating a flow rate of e.g. 500 m³/h, the
magnetic separation system would have a footprint
of only 15 to 20 m² compared with the 200 to 300
m² needed for continuous sand filtration. The scale
that has been separated out can in principle be
recycled in sinter plants, although pretreatment
(de-oiling) may be necessary, depending on the
user’s requirements.
Kreislaufführung von Prozesswässern durch
selektive Salzabtrennung
Recycling of process waters through selective
separation of salts
Beim Betrieb von Gaswaschwasser-, Kühlwasserund Spülwasserkreisläufen erhöht sich die Salzkonzentration stetig. Dies ist einerseits auf den
Salzeintrag über Prozessgase, Beizsäuren und
Chemikalien zur Wasserkonditionierung und
andererseits auf die Wasserverdunstung zurück
zu führen. Hohe Salzkonzentrationen verursachen
Korrosion (Bild 19) und Ablagerungen an Produkten
und in den Leitungen. Um die Salzkonzentration
niedrig zu halten, wird ein Teil des Prozesswassers abgeschlämmt. Dies verursacht Kosten für
Frischwasserversorgung sowie für Entsorgung von
Abwässern und Schlämmen.
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
cause corrosion (Fig. 19) 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 laufenden europäischen Forschungsprojekt
untersucht das BFI zusammen mit fünf Projektpart-
In an ongoing European research project named,
BFI and five project partners from research and
Bild / Figure 19
Korrosion in einem Rohr aus einem Kühlwasserkreislauf
Corrosion in a pipe from a cooling circuit
27
nern 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 ist
die Entwicklung von innovativen Konzepten für die
nachhaltige Wasser- und Infrastrukturbewirtschaftung in der europäischen Stahlindustrie.
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 is 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 Rückgewinnung von reinen Salzen erreicht werden.
Eine direkte Wiederverwendung des Abwassers
im gleichen System ist in der Regel möglich. Die
Wiederverwendung von Gaswaschwässern kann
z.B. durch eine Umkehrosmose oder Verdampfung
(Bild 20) oder durch einen Ionentausch erfolgen.
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 reuse the water but also to
recover pure salts. It is also generally possible to
feed the waste water back into the same system.
The water from gas scrubbers, for example, can be
reused after treatment using reverse osmosis or
evaporation (Fig. 20) or ion exchange techniques.
Zur Verminderung des Salzeintrags in Spülwässer
von Beizlinien wurden bei Industriepartnern
Maßnahmen zur Trennung von konzentrierten und
schwach belasteten Strömen sowie ein verbessertes
Regenerationssystem für gebrauchte Säure wirtschaftlich umgesetzt. Im weiteren Projektverlauf werden
betriebliche Tests zur Ermittlung der Frischwasserund Säureeinsparung durch diese Maßnahmen
To avoid the entrainment of salts into the rinsing
baths of pickling lines, the industrial partners have
implemented cost-effective measures to separate
streams with high and low concentrations as well
as an improved regeneration system for spent
acids. Further project work will focus on tests
to determine how much fresh water and acid is
saved by these measures. In addition, field tests
Bild / Figure 20
Vakuumdestillation eines salzhaltigen Prozesswassers (rechter Kolben) in einem Rotationsverdampfer
Vacuum distillation of salt containing process water (right flask) in a rotary evaporator
28
durchgeführt. Weiterhin sind Betriebsversuche
zur Wiederverwendung von Spülwassern aus der
Oberflächenbehandlung mit Hilfe der Umkehrosmose
mit anschließender Kosten-Nutzen-Analyse geplant.
have been planned to investigate the reusability
of rinsing water from surface treatment lines
with the help of reverse osmosis. These will be
followed by a cost-benefit analysis.
Wertmetallrückgewinnung aus festen und
flüssigen Abfällen von Edelstahlbeizlinien
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 im Wesentlichen
durch das Beizen bestimmt wird. In Beizprozessen der Edelstahlindustrie entstehen bei der
Neutralisation von Altsäuren große Mengen an
Neutralisationsschlämmen, die erhebliche Mengen an
Wertmetallen, insbesondere Nickel, enthalten. Allein
in Europa werden so jährlich mehr als 2500 t/a Nickel
mit einem Wert von ca. 40 Millionen €/a deponiert.
The properties of stainless steel grades depend
not only on the material composition, 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.
Ziel der Untersuchungen ist daher die 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 als auch Salpetersäure freie
Beizen betrachtet werden.
The aim of the studies 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.
Bild / Figure 21
Aufnahme des Nickelgehalts von Altsäure und Neutralisationsschlamm in einem Kaltwalzwerk
Recording of the nickel content in spent acids and the neutralisation sludge in a cold-rolling mill
29
ltsäureroute, bestehend aus
A
– Retardation
– Erster Fällungsstufe (Fällung der NichtNickelionen)
– Reinigung und Konzentrierung der verbleibenden Nickel haltigen Lösung
– Zweiter Fällungsstufe zur Erzeugung eines
Nickel reichen Schlamms
– Brikettierung des Nickel reichen Schlamms zur
Weiternutzung in der Stahlerzeugung
Spent acid route, consisting of
– Retardation
– First precipitation stage (precipitation of nonnickel ions),
– Cleaning and concentration of the remaining
nickel containing solution
– Second precipitation stage to produce a nickel
enriched sludge
– Briquetting of the nickel-enriched sludge for
further use in steel production.
eutralisationsschlammroute, bestehend aus
N
– Selektiver Nickellaugung
– Filtration und pH-Einstellung
– Extraktion
– Elektrolytischer Nickelabscheidung zur Weiternutzung in der Stahlerzeugung
eutralisation sludge route, consisting of
N
– Selective nickel leaching,
– Filtration and pH adjustment
– Extraction
– Electrodeposition of nickel for reuse in steel
production
Verschiedene Arbeiten zu Einsatz, Behandlung
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.
Alongside national and international research
projects, activities included successful optimisation and problemsolving work within the context
of contract assignments dealing with various
industrial issues regarding the use, treatment and
closedloop operation of liquid media. Examples
of this are:
– Rückgewinnung von Hartmetallphasen aus
Reststoffen mittels anorganischer Säuren
– Rückgewinnung von metallischen Wertstoffen
durch Laugung
– Einsatz und Anpassung 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)
– Recovery of carbide phases from residuals
with the aid of inorganic acids
– Recovery of metallic materials by leaching
– Use and adaptation of continuous inline
measurement of polymer concentrations in
an industrial quenching process
– Optimisation of treatment of sulphatecontaining 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 closedcircuit operation
– Use of microwave technology for emulsion
analytics
– Reduction of cooling water consumption
through inprocess use of waste heat
– Onsite management/monitoring of process
water treatment lines (neutralisation, biological treatment plants)
– Treatment and dewatering of thin sludges
30
– Behandlung und Entwässerung von Dünnschlämmen
– Entfernung von Chlorid aus Spülwässern zur
Kreislaufführung
– Optimierung der Öl- und Feststoffabscheidung
aus Kühlwasser
– Removal of chloride from rinsing waters to
allow closedcircuit operation
– Optimisation of oil and solids separation from
cooling water
Verschiedene Arbeiten zu Prozesschemie und
Ressourcentechnologie Einsatzstoffe
Various assignments on process chemistry and
Resource technology for input materials
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.:
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:
– Bindemittel für Pelletierung von Reststoffen
der TiO2-Produktion
– Bindemittel für Pelletierung von Petrolkoks
– Herstellung von DRI aus Eisenoxidrückständen
– Kaltgebundene DRI-Pellets aus Eisenoxiden
– Magnetseparationsversuche von aufgemahlener
LD-Schlacke
– Sintern von Schwefelkiesabbrand
– Vanadiumrückgewinnung aus Filterstaub
– Rückgewinnung von Gold, Silber und Kupfer
aus Schwefelkiesabbrand
– Eisengewinnung aus Schwefelkiesabbrand
– Wertstoffrückgewinnung aus Verbrennungsasche
– Alternative Nutzung von Kuppelgasen der
Eisen- und Stahlindustrie
– Binders for pelletising residuals in TiO2 production
– Binders for pelletising petroleum coke
– Producing DRI from iron oxide residuals
– Cold-bound DRI pellets from iron oxides
– Magnetic separation tests on ground LD slag
– Sintering of pyrite cinder
– Recovery of vanadium from filter dust
– Recovery of gold, silver and copper from
pyrite cinder
– Recovery of iron from pyrite cinder
– Recovery of valuable substances from combustion ashes
– Alternative utilisation of off-gases from the
iron and steelmaking industry
Agglomeration von feinkörnigen Roh- und
Reststoffen und Einsatz im Sinterprozess
Agglomeration of fine-grained input materials
and residuals and use in the sintering process
Zukünftig müssen größere Anteile von Feinerzen
und Recycling-Materialien mit geringer Qualität,
d.h. mit feineren Partikeln, breiteren Größenverteilungen, niedrigerer Qualität und höherer
Variation der Eigenschaften verarbeitet werden.
Um die Wettbewerbsfähigkeit und Nachhaltigkeit
zu gewährleisten, muss die Stahlindustrie geeignete
Aufbereitungsverfahren entwickeln, damit diese
Erze und Recycling-Materialien in der Sinteranlage eingesetzt und hohe Sinter-Qualitäten und
Produktivitäten erreicht werden können.
Unter diesen Voraussetzungen werden in einem
Forschungsprojekt die Eigenschaften von Feinerzen,
Recycling-Materialien und Bindemitteln untersucht
und Aufbereitungsverfahren entwickelt, um diese
In the future, production operations will have
to work with fine ores and recycled materials of
poorer quality, i.e. with finer particles, broader
size distribution ranges, poorer and more widely
varying characteristics. In order to assure its
competitiveness and sustainability, the steel
industry must develop suitable techniques to
dress and use these ores and recycled materials
in the sinter plant while also achieving a high
quality of sintering and a high level of productivity.
Within the scope of an project, several fine
ores, recycled materials as well as binders are
being analysed and treatment processes are being
investigated, in order to enable the production of
31
Einsatzstoffe im Sinterprozess optimal zu nutzen.
high-quality sinter through selective pretreatment.
Dazu werden Konzentrate als auch Recyclingmaterialien wie z.B. Gicht- und Gießhallenstäube
detailliert charakterisiert, d.h. spezifische Oberflächen, Porosität, Wasseraufnahme, Formfaktoren, Benetzbarkeiten analysiert, um daraus
Eigenschaften für die Aufbereitung und die
Agglomeration abzuleiten. Analog werden die
Eigenschaften ausgewählter, organischer Bindemittel hinsichtlich ihrer Wirkung auf die Agglomeration charakterisiert. Selektive Misch- und
Agglomerationsuntersuchungen werden durchgeführt und die Aufbereitung anhand u.a. von
Schüttgutpermeabilitäten, Agglomeratformanalysen
und -größenverteilungen und -festigkeiten beurteilt.
Zusätzlich werden in Sinterversuchen auch die
Auswirkungen auf den Sinterprozess untersucht.
To this end, concentrates and recycled materials, such as top gas and casting shop dusts are
being characterised in detail by analysing their
specific surfaces, porosity levels, water retention,
shape factors, and wettability, etc., in order to
identify properties for the treatment process,
i.e. agglomeration. Similarly, the properties of
selected organic binders are being characterised
to determine their effect on agglomeration. Selective mixing and agglomeration studies are being
conducted and the results assessed in terms of
permeability, agglomerate shape analyses and size
distributions, as well as bulk density values, in
order to be able to describe how they influence
behaviour during the pretreatment process and
the resulting effects on the sintering process.
Die Forschungsergebnisse werden genutzt, um
durch die selektive Vorbehandlung von Feinerzen
und Recycling-Materialien mit geringer Qualität
hochwertigen Sinter herzustellen.
The research results will then be used to enable
the selective pretreatment of materials for the
production of high-quality sinter.
Neues Koksprodukt zur Verbesserung der Nachhaltigkeit beim Betrieb von Kleinschachtöfen
New coke product aimed at improving
sustainability in small shaft furnace operations
Der Betrieb von Kleinschachtöfen erfordert
Steinkohlenstückkoks, der auf internationalen
Rohstoffmärkten eingekauft wird. Infolge der Kokspreiserhöhung ist die Versorgungssicherheit für die
Kleinschachtöfen stark beeinträchtigt, weshalb ein
Bedarf an kostengünstigen Koksersatzprodukten
besteht. Wesentliches Ziel dieses Forschungsprojektes war es, ein neues und preisgünstiges Brikett
auf Braunkohlenkoksbasis zu entwickeln. Dabei
wurde in einer Gemeinschaftsarbeit mit Beteiligung
Small shaft furnace operations require lumpy
hard coal coke which is purchased on international commodities markets. Since the price
of coke has increased, the continuity of supplies
for small shaft furnaces is strongly compromised
and this has created a need for production of less
costly coke substitute products. The main aim of
this research project was to develop a new and
inexpensive briquette based on lignite coke. In
collaborative work involving industrial partners
Bild / Figure 22
Charakterisierung eines Gichtstaubagglomerates
Characterisation of a top gas dust agglomerate
32
von Industriepartnern und einer Universität ein
Verfahren zur Herstellung von Braunkohlenkokssteinen, Bild 23 entwickelt und deren Eignung im
Kleinschachtofen betrieblich erpobt.
and a university, a method for producing lignite
coke briquettes was developed, Fig. 23, and the
suitability of these briquettes for use in small
shaft furnaces then tested in the field.
In umfangreichen Labor- und Technikumsarbeiten
wurden zunächst geeignete Rezepturen für die Herstellung von Kokssteinen entwickelt, die den Mindestanforderungen für den Schachtofenbetrieb entsprechen. Die
Steine wurden dabei aus Braunkohlen-Herdofenkoks
unter Verwendung mineralischer Bindemittel hergestellt. Die Untersuchungen zur Rezepturermittlung
haben gezeigt, dass neben einer dichten Packung
des Partikelgemenges die Auswahl eines geeigneten
Zementes von entscheidender Bedeutung für die
Eigenschaften des hergestellten Kokssteines ist.
Darüber hinaus konnte auch eine positive Wirkung
von zementsparenden Zusätzen festgestellt werden.
Die Untersuchungen mittels modifizierten RuL-Tests
haben klar gezeigt, dass die einfach zu bestimmende
Kaltdruckfestigkeit allein kein ausreichendes Qualitätskriterium für einen Koksstein ist, der für einen
Einsatz im Kleinschachtofen in Frage kommt.
Extensive lab and pilot plant work was performed
to establish suitable formulations for producing
coke briquettes that would meet the minimum
requirements for shaft furnace operation. The
briquettes were made of lignite coal hearth furnace
coke and mineral binders. The investigations on
formulations revealed that, besides dense packing
of particles, the choice of cement is of decisive
importance in determining the properties of the
produced coke briquettes. Furthermore additives
that helped to save on cement were found to have
a positive effect. Studies using a modified RUL
test showed that the cold compressive strength,
which is easy to determine, is not an adequate
quality criterion for a coke briquette that is to
be used in small shaft furnaces.
Mit einer auf der Basis der Ergebnisse der Labor- und
Technikumsuntersuchungen ermittelten Rezeptur
wurden in einer Steinfabrik Versuchschargen für
die Betriebserprobung hergestellt und in zwei unterschiedlichen Kleinschachtofenanlagen erfolgreich
erprobt, Bild 24. Bis zu 9,0% Kohlenstoffäquivalente
des eingesetzten Steinkohlenkokses lassen sich
problemlos durch das neue Braunkohlenkoksprodukt
ersetzen. Ein negativer Einfluss auf die relevanten
Betriebsparameter der Kleinschachtofenanlagen
wurde nicht festgestellt. Entscheidend für eine
Anwendung der neuen Braunkohlenkokssteine sind
ein maximaler Kohlenstoffanteil in den Kokssteinen
sowie eine ausreichende Festigkeit.
With a formulation based on the results of the lab
and pilot plant work, test batches were produced
in a briquetting factory for field trails and successfully tested in two different small shaft furnaces,
Fig. 24. Up to 9.0% carbon equivalent of the hard
coal coke charged could be replaced by the new
lignite coke product without any problems being
encountered. There were no detectable negative
effects on the relevant operating parameters of the
small shaft furnaces. Essential factors governing
the use of the new lignite coke briquettes are a
maximum percentage of carbon in the briquettes
and sufficient strength.
Bild / Figure 23
Bild / Figure 24
Koksstein
Coke briquette
Einsatz der Kokssteine im Kleinschachtofen
Use of the coke briquettes in small shaft furnaces
33
Energie- und Ressourcentechnik | Wärme- und Verbrennungstechnik
Wärmestellenarbeiten
Fuel department activities
Die Anforderungen an wärmetechnische Anlagen
steigen kontinuierlich, besonders im Hinblick auf
Fragen der rationellen Energieausnutzung und
Leistungssteigerung. Das BFI bietet in diesem
Themenfeld eine Reihe von Dienstleistungen an,
beispielsweise:
The demands being made on high-temperature
installations are continuously rising, particularly with respect to efficient use of energy and
enhanced performance. In this area, BFI offers
a number of services, such as:
– Ofenabnahmen,
– Studien für Schmelz-, Wärm- und Wärmebehandlungsöfen,
– Erstellung von Wärmebilanzen,
– Kalibrierung und Überprüfung der Betriebsmesseinrichtungen,
– Messung der Nutzguttemperatur und Sondermessungen.
– furnace inspections
– studies relating to melting, reheating and
heat treatment furnaces
– preparation of heat balances
– calibration and monitoring of industrial
measuring equipment
– measurement of charge material temperature,
and special measurements
Zur Optimierung der Guterwärmung im Ofen
ist beispielsweise die Kenntnis des örtlichen und
zeitlichen Verlaufs der Temperatur im Nutzgut
nötig. Das BFI setzt hierfür moderne Messtechnik
ein, die auf den jeweiligen betrieblichen Einsatzfall
abgestimmt wird. Bild 25 zeigt beispielhaft einen mit
Thermoelementen bestückten Versuchsblock bei der
Erwärmung im Ofen. Die gewonnenen Ergebnisse
dienen als Ausgangspunkt für die Optimierung des
Ofenbetriebs und stellen ein wichtiges Element im
Qualitätsmanagement des Betriebs dar.
To achieve optimal heating of the charge material in the furnace, for example, it is essential to
know how the temperature in the charge material varies locally over time. BFI uses advanced
measuring technology to determine this, which
is adapted as necessary to suit the specific shop
conditions. Fig. 25 shows, as an example, a test
ingot fitted with thermocouples being heated
in a furnace. The accumulated data serve as a
starting point for optimizing the mode of furnace
operation and represent an important element
in managing operational quality.
Direkte Vorteile für den Betreiber liegen in einer
verbesserten Prozeßtransparenz und –effizienz.
Hieraus resultieren Energieeinsparungen und durch
die verringerten Temperatur-Abweichungen im
Nutzgut Qualitätsvorteile. Weiterhin sind diese
The direct advantages for the operator are
improved process transparency and efficiency.
These lead to energy savings and quality benefits
thanks to the reduction in temperature variations
in the charge material. The measurements are
Bild / Figure 25
Messung der Blockerwärmung im Wärmofen
Measurement of ingot heating in a reheating furnace
34
Energy and Resources | Heat and Combustion Technolgies
Messungen ein wichtiges Element zur steten Überprüfung der zugesicherten und erforderlichen
Eigenschaften von Thermoprozessanlagen.
also a key instrument for continuous monitoring
of the warranted and required characteristics of
thermoprocessing plant and equipment.
Neues Rohrregenerator-Brenner-System ROREBS
zur Steigerung der Energieeffizienz an Industrieöfen
New tubular regenerator burner system ROREBS
for increasing the energy efficiency in industrial
furnaces
In einem Verbundvorhaben mit einem Brennerhersteller 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 Flachflammenbrenner mit innovativer
Brennlufteindüsung und Drallbildung sowie einem
kompakten Regenerator. Das ganze System ist
In a joint project with a burner manufacturer
and several forging enterprises, BFI has developed a new tubular regenerator burner system
(ROREBS) for increasing the energy efficiency of
industrial furnaces at high temperatures and tested
this under shop conditions. The new system is
based on a laminar-flow burner with innovative
combustion air injection and swirl generation
as well as a compact regenerator. The complete
Bild / Figure 26
Herdwagenschmiedeöfen mit herkömmlicher Beheizung und mit ROREBS im Vergleich
Comparison of bogie hearth forging furnaces with conventional heating and with ROREBS
35
für den Dauereinsatz bei Hochtemperatur konzipiert und wurde im Technikum und an mehreren
Wärmöfen erfolgreich eingesetzt.
system was designed for continuous use at high
temperatures and has been successfully used not
only in the technical centre but also in several
reheating furnaces.
Im Vergleich zur herkömmlichen rekuperativen
Wärmerückgewinnung werden mit dem ROREBS
eine Brennluftvorwärmung von rd. 1.000°C und
eine Brennstoffeinsparung von rd. 30% erreicht.
Das gilt sowohl für den Betrieb mit Erdgas als
auch mit Prozessgasen. Des Weiteren ist die Beheizungsqualität hoch geblieben, was das besondere
Auslegungsziel für die Entwicklung des Flachflammenbrenners war.
Compared with conventional recuperative heat
recovery, the ROREBS system enables preheating of
combustion air by about 1000°C and fuel savings
of about 30%. This applies to operation with
natural gas or with process gases. Furthermore,
the heating performance remains high, which
was the special design and development aim for
the laminar-flow burner.
Bild 26 zeigt die Situation beim Vergleichstest
von zwei 250t-Herdwagenschmiedeöfen mit
herkömmlicher rekuperativer Beheizung und dem
neuen ROREBS. Der Gasverbrauch ist während der
gesamten Ofenreise bei dem ROREBS niedriger und
in Summe werden 30% eingespart.
Figure 26 shows the situation in a comparative test involving two 250t bogie hearth forging
furnaces, one with conventional recuperative
heating and one with the new ROREBS system.
The gas consumption is lower throughout the
entire furnace cycle when using ROREBS, saving
30% overall.
Weitere Einsatzfälle des ROREBS für die Deckenbeheizung oder in Wärmebehandlungsäfen werden
derzeit erarbeitet, siehe Bild 27.
Further applications for ROREBS for roof heating
or in heat treatment furnaces are currently being
worked on, see fig. 27
Bild / Figure 27
Flachflammenbrenner im Industrieofen
Laminar Flow Burner in industrial heating furnace
36
Sicherheitstechnik / DVGW Sachverständigen
stelle
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 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 (Bild 28).
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, the required process control
safety devices and systems for technical explosion
protection, and classification and zoning of areas
with potentially explosive atmospheres (Fig. 28).
Zudem arbeitet das BFI in gemeinsamen Arbeitskreisen von DVGW und VDMA an der Aktualisierung europäischer Normen zur Gasanwendung
schwerpunktmäßig im Bereich industrieller Thermoprozesstechnik mit.
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.
Des Weiteren werden Informationen für Hersteller
und Betreiber von Thermoprozessanlagen erarbeitet
A further aim is to prepare and publish information for manufacturers and users of thermal
Bild / Figure 28
Beispiel eines Risikographen zur Ermittlung der SIL-Klassifizierung
Example of risk graphs for determining SIL classification
37
und öffentlich gemacht. Themen sind unter anderem
Stand und Veränderungen relevanter Normen, Prozesssicherheit, wie z. B. Instandhaltung und der frühzeitiger Austausch von Verschleißteilen, Minimierung
von Gefahrenquellen durch technische, konstruktive
und organisatorische Maßnahmen gegen Personen-,
Umwelt- und Anlagenschäden, sowie Ausbildungsund Schulungsmöglichkeiten der Mitarbeiter.
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), and
education and training possibilities for employees.
Untersuchungen zu Verunreinigungen von
Brennern bzw. Brennerbauteilen
Soiling of burners and burner parts
In einer Studie zum Thema „Verunreinigung
von Brennern bzw. Brennerbauteilen“ wurden die
bestehenden Phänomene bezüglich der Funktionsbeeinträchtigung bzw. des –ausfalles von Brennern
oder Brennerbauteilen untersucht. Hauptgründe
für die Funktionsbeeinträchtigungen waren zum
einen die Verunreinigung bis zur vollständigen
Verstopfung (Bild 29) und die Korrosion (Bild 30).
In a study on the subject of “soiling of burners
and burner parts” phenomena pertaining to performance degradation or failure of burners or burner
parts were investigated. The main reasons for
degradation of performance were soiling, even
to the point of complete clogging (Fig. 29), and
corrosion (Fig. 30).
Bild / Figure 29
Bild / Figure 30
Verstopfter Wabenkörper
Clogged honeycomb element
korrodiertes keramisches Flammenrohr
Corroded ceramic flame tube
38
Ein weiteres Ergebnis der Studie war, dass diese
Phänomene keine Einzelfälle sind. Es liegen bislang
keine systematischen Untersuchungen vor, um diese
Beeinträchtigungen gezielt zu vermeiden. Seitens
der Industrie wurde ausgesagt, dass auf Grund zu
erwartender Probleme häufig bei der Planung auf
moderne Brennertechnologien verzichtet wird.
Another finding of this study was that these
phenomena are by no means isolated cases. No
systematic studies have yet been performed in
order to avoid such degradation of performance.
According to industry comments, planning decisions frequently went against the use of modern
burner technologies because of the expected
problems.
Hochleistungskeramik für neuartigen keramischer
Hochtemperaturrekuperator
High-performance ceramics for novel ceramic
high-temperature recuperator
Stand der Technik zur Rückgewinnung von
Abgaswärme an Industrieöfen und Rückführung
in den Prozess sind derzeit metallische Rekuperatoren für eine Brennlufttemperatur von
rd. 200 – 600 °C, die Leistungsspanne liegt zwischen
rd. 300 kW und mehreren MW. Die Abwärmerückgewinnung an Industrieöfen bei Hochtemperatur
T > 1000 °C und hoher Brennerleistung ist mit
derzeitiger Rekuperatortechnik nicht möglich.
Verfügbare Brennersysteme, bei denen der Brenner
mit einem keramischen Rekuperator in einem
Bauteil kombiniert ist – keramischer Rekubrenner -,
sind zur Luftvorwärmung auf über 1.000°C geeignet.
Ihre thermische Leistung ist aber auf maximal
200 kW begrenzt und daher nur für wenige Industrieöfen geeignet.
The state of the art for recovering waste-gas
heat from industrial furnaces and returning this
heat to the process is currently metallic recuperators for a combustion air temperature of some
200 – 600 °C with a power ranging from some
300 kW to several MW. With today’s recuperator technology it is not possible to recover heat
from industrial furnaces at high temperatures of
T > 1000 °C and high burner power. Burner systems
where the burner and a ceramic recuperator are
combined into one part – known as ceramic recuburners – are available for air preheating up to
over 1000 °C. However, their thermal power is
limited to a maximum of 200 kW, which makes
them unsuitable for the majority of industrial
furnaces.
Der im Vorhaben zu entwickelnde keramische
Rekuperator soll an Hochtemperaturöfen eingesetzt werden und eine sehr hohe Brennluftvorwärmung erreichen. Der Einsatzbereich soll wie
bei metallischen Rekuperatoren von rd. 300 kW
The ceramic recuperator to be developed in this
project is to be used in hightemperature furnaces
and achieve a very high level of air preheating. Its
power range is to equal that of metallic recuperators, i.e. from some 300 kW to several MW. The
Bild / Figure 31
Keramikkörper eines möglichen Demonstrators
Ceramic elements for a possible demonstrator
39
bis zu mehreren MW reichen. Das Abgas soll ohne
Vorkühlung direkt aus dem Ofen in den Rekuperator
eintreten, um die Verluste zu minimieren. Die
betriebliche Einsatzreife soll durch systematische,
stufenweise Erprobung an der BFI - Brennerversuchsanlage demonstriert werden.
waste gas is to enter the recuperator directly from
the furnace, without any precooling, in order to
minimise losses. Readiness for industrial use is
to be demonstrated by a series of systematic tests
in the BFI burner testing plant.
Der keramische Rekuperator besteht aus SiCWürfeln als wärmeübertragende Komponente. An
einer Versuchsanlage des BFI wurden bereits mehrere
Würfel mit unterschiedlicher Geometrie (Bild 31)
auf ihre Eignung als Wärmeübertrager getestet.
The ceramic recuperator consists of SiC cubes
as heat transferring components. In a test setup
at BFI, several cubes with different geometries
(Fig. 31) were tested as to their suitability as heat
transfer elements.
Qualitäts- und leistungssteigerndes Beheizungsverfahren für Wärmebehandlungsöfen auf Basis
von innovativen energiesparenden Hoch-ImpulsBrennern
Quality- and performance-enhancing heating
methods for heat treatment furnaces based on
innovative energy-saving high-velocity pulse
burners
Zur Wärmebehandlung hochwertiger MetallErzeugnisse werden häufig fossil beheizte Öfen
eingesetzt. Aufgrund des Temperaturniveaus von
weniger als 1.000 °C hat hier der konvektive Wärmeübergang an das Nutzgut einen maßgeblichen Einfluss
auf die Effizienz der Erwärmung. Eine Erhöhung
des konvektiven Wärmeübergangs führt daher
zu einer Steigerung der Aufheizgeschwindigkeit,
was sowohl die Anlagenleistung als auch deren
energetische Effizienz nachhaltig verbessert. Der
konvektive Wärmeübergang ist hauptsächlich von
der Strömungsgeschwindigkeit im Bereich der
Nutzgutoberflächen abhängig. In einem laufenden
Forschungsvorhaben werden daher Maßnahmen
erarbeitet, die Ofenatmosphärenumwälzung zu
erhöhen. Da dies mit Hilfe von Umwälzgebläsen
häufig nicht wirtschaftlich realisierbar ist, wird
in diesem Verbund-Forschungsvorhaben ein soge-
Heat treatment of high-quality metal products
is often carried out in furnaces fired with fossil
fuels. Since the temperature level is less than
1,000°C, convective heat transfer into the charged
stock has a major influence on the efficiency of
the heating. Increasing the convective transfer of
heat therefore increases the heating rate, which
also significantly improves the performance of the
furnace and its energy efficiency. Convective heat
transfer mainly depends on the flow velocity in the
charge material surface. In an ongoing research
project, measures are being devised to increase
the circulation rate of the furnace atmosphere.
Since this often cannot be achieved at reasonable
cost with circulation blowers, an objective of this
collaborative research project is to develop highvelocity impulse burners. Similar to the known
impulsed burners (Fig. 32), this type of burner
Bild / Figure 32
Strömungs- und Temperaturverhältnisse im Bereich des Verbrennungsgasaustritts an einem Impuls-Brenner
Flow and temperature conditions around the combustion gas exit point in a pulsed burner
40
nannter Hoch-Impuls-Brenner entwickelt. Dieser
Brenner düst, ähnlich wie bei den bekannten ImpulsBrennern, siehe Bild 32, die Verbrennungsgase mit
sehr hoher Geschwindigkeit in den Ofenraum ein.
Hierdurch wird, ohne den Einsatz von separaten
Gebläsen, ebenfalls eine intensive Umwälzung der
Ofenatmosphäre erreicht. Der neu zu entwickelnde
Brenner wird dabei auf einer neuen, innovativen
Führung des Verbrennungsprozesses beruhen. Hierbei
wird ein sehr hoher Anteil der Verbrennungsreaktion im Innern des Brenners erfolgen, wodurch die
Verbrennungsgase mit erheblich höherer Geschwindigkeit aus dem Brenner austreten als bei bisher
verfügbaren Brennern. Diese höheren Austrittsgeschwindigkeiten führen, über eine entsprechende
Anhebung der Ofenatmosphärenumwälzung, zu der
angestrebten Steigerung der Produktionsleistung
und Energieeffizienz der Anlage. Darüber hinaus
soll durch die neue Prozessführung der Anteil der
giftigen Stickoxide in den Verbrennungsabgasen
auf ein Minimum reduziert werden.
injects the combustion gases into the furnace
chamber at very high speed. This achieves intensive
circulation of the furnace atmosphere without
the need for separate blowers. The burner that
is to be developed here will be based on a new
and innovative combustion management. A large
part of the combustion reaction will take place
inside the burner, causing the combustion gases
to exit from the burner at a very much higher
velocity than is the case with existing burners.
These higher exit velocities will accelerate the rate
of furnace atmosphere circulation, thus achieving
the desired increase in the production rate while
improving the furnace‘s energy efficiency. Another
objective of the new combustion management is
to reduce the proportion of toxic nitrogen oxides
in the combustion exhaust gases to a minimum.
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
Stahl-Feinbleche, wie sie beispielsweise in der
Automobilindustrie benötigt werden, durchlaufen
während ihrer Herstellung mehrere Fertigungsschritte. Für die Warmumformung und die Wärmebehandlung ist hierbei immer wieder eine definierte
Erwärmung der Bleche erforderlich. Dies geschieht
in Banderwärmungsanlagen, durch welche die
Bleche in Form von (Endlos-) Bändern über Rollen
Steel sheet materials, such as required in the
automotive industry, are produced in a succession
of different operations. For hot forming and heat
treating, the stock must be heated to a defined
temperature. This is done in strip heating furnaces
where the material is conveyed as endless strip
on rollers (Fig. 33). These transport rollers have a
direct effect on the demanded high surface quality
Bild / Figure 33
Gut-Transportrollen einer Banderwärmungsanlage, hier zu Wartungszwecken teilweise seitlich aus dem Ofengefäß gezogen
Transport rollers in a strip heating furnace, pictured here partly pulled out to the side of the furnace shell for maintenance work
41
transportiert werden (Bild 33). Dabei haben diese
Transportrollen einen direkten Einfluss auf die
hohe geforderte Oberflächenqualität der Feinbleche.
Bei Temperaturwerten von bis zu 1.300°C in den
beheizten Ofenzonen solcher Anlagen sind die
thermischen Anforderungen an die Rollen sehr
hoch, weshalb in diesen Bereichen üblicherweise
wassergekühlte, metallische Rollen eingesetzt
werden. Durch diese Wasserkühlung werden
die Rollen vor Überhitzung geschützt, allerdings
führt sie auch zwangsläufig zu einer ungewollten
Kühlung des Ofenraums und damit zu erheblichen
Energieverlusten.
Das Forschungsvorhaben hat zum Ziel den Energiebedarf solcher Banderwärmungsanlagen nachhaltig
zu senken. Durch die Entwicklung einer neuen,
luftgekühlten Transportrolle kann auf die bisherige intensive innere Wasserkühlung der Rollen
verzichtet werden. Das Betriebstemperaturniveau
der Rollen wird dabei bewusst angehoben, was die
Energieverluste über die Rollenkühlung entsprechend minimiert. Um den hohen thermischen
Anforderungen unter den o. g. Betriebsbedingungen
dennoch standhalten zu können, werden die
verwendeten Werkstoffe, mit Blick auf die extremen
Einsatzbedingungen, gezielt weiterentwickelt. Mit
Hilfe von Simulationsrechnungen wird zudem die
neue Transportrolle strömungs- und wärmetechnisch optimiert um lokale Temperaturspitzen im
Rollenkörper schon während der Entwicklung
sicher zu vermeiden. Hierbei kommen sowohl
CFD- als auch FEM-basierte 3D-Modelle zum Einsatz.
Durch den Einsatz dieser neu zu entwickelnden
Transportrollen kann die Energieeffizienz von
Banderwärmungsanlagen nachhaltig gesteigert
werden, bei gleichzeitig gesicherter Produktqualität.
of the sheet materials. At temperatures of up to
1,300°C in the heated zones of such furnaces, the
thermal stressing of these rollers is very high, and
the common practice is therefore to use watercooled metallic rollers in such zones. Although
the water cooling does protect the rollers from
overheating, it automatically leads to an unwanted
cooling of the furnace chamber and hence to
substantial energy losses.
This research project aims to significantly lower
the energy demand of such strip heating furnaces.
Senkung von Energieverbrauch und CO2-Ausstoß
bei der Erwärmung von Metallerzeugnissen mit
Hilfe simulativer Universal-Softsensorik im Nutzgut
Decreasing the energy consumption and CO2
emissions during heating, of metal products
through novel integration of processes and
plants with simulatory universal soft sensors in
the charge material
Die Wärmebehandlung ist bei vielen Produktionsprozessen der Stahlindustrie den warm umformenden Herstellungsschritten direkt angeschlossen.
Da die Prozesstemperatur der Wärmebehandlung
üblicherweise unterhalb der Warmumformtemperatur liegt, ergibt sich hier ein großes Potential zur
Abwärmenutzung bzw. Wärmerückgewinnung.
In many steel industry production processes
the heat treatment facilities are located directly
after the hot forming stages. Since the process
temperatures in heat treatment normally lie
below those of the hot forming operations, this
offers great potential for utilising or recovering
the waste heat.
Auf dieser Basis wird in einem laufenden Forschungsvorhaben ein flexibler Anlagenverbund zur Herstellung
nahtlos gewalzter Ringe entwickelt, der es ermög-
This is the basis for an ongoing research project
in which a flexible integrated line for producing
seamless rolled rings is being developed that will
42
The development of a new type of air-cooled
transport roller will make it possible to do without
the customary intensive internal water cooling
of the rollers. The operating temperature level of
the rollers will be deliberately raised in order to
minimise the energy losses associated with roller
cooling. To ensure that the rollers will nevertheless
be able to withstand the high thermal loading
under the changed operating conditions, the
materials will be further developed specifically
with these extreme conditions of use in mind.
Numerical simulations will be performed with
a view to optimizing the new transport roller in
terms of flow patterns and heat distribution in
order to avoid local temperature peaks in the
roller body even at the development stage. Both
CFD- and FEM-based 3D models will be used here.
Once they have been developed, the use of such
new transport rollers will help to significantly
improve the energy efficiency of strip heating
furnaces while also assuring the same level of
product quality.
licht, den gesamten Fertigungsprozess, bestehend aus
Vorschmieden, Walzen und Wärmebehandeln, höchst
energieeffizient zu gestalten. Hierbei wird konsequent
das Ziel verfolgt, die in die Ringe eingebrachte Wärme
möglichst vollständig zu nutzen. Über neu entwickelte
Prozessführungskonzepte und eine neue Anlagenlogistik wird sichergestellt, dass die Ringe in jedem
Fertigungsschritt nur so wenig Wärme wie möglich an
die Umgebung abgeben. Der hohe Anteil der so in den
Ringen verbleibenden Rest-Wärme steht damit nach
dem Prinzip des Warmeinsatzes dem nachfolgenden
Fertigungsschritt weiter zur Verfügung und führt
dort direkt zu einer entsprechenden Primärenergieeinsparung. Ist es jedoch, beispielsweise für die
Wärmebehandlung, prozesstechnisch notwendig die
Ringe auf eine bestimmte Temperatur abzukühlen,
so erfolgt dies in geregelten Kühlstrecken, wo die
Wärme gezielt aus den Ringen ausgekoppelt wird. So
wird zum einen eine unnötiges Unterschreiten der
Zieltemperatur verhindert und zum anderen wird
die ausgekoppelte Wärme hier zu einer separaten,
externen Brennluftvorwärmung genutzt, wodurch
sie anlagen- bzw. prozessübergreifend wieder in den
Gesamtprozess zurückgeführt werden kann, Bild 34.
make it possible to operate the entire process
(consisting of preforging, rolling and heat treatment) with a high degree of energy efficiency.
The goal being pursued systematically here is to
utilize the heat introduced into the rings entirely
or as far as possible. Newly developed process
management strategies and new plant logistics
ensure that the amount of heat dissipated to the
environment at each production stage is kept as
low as possible. The high level of heat remaining
in the rings can thus be exploited directly in the
following production step by hot-charging the
material and so saving a corresponding amount
of primary energy. Conversely, if the rings have
to be cooled to a specific temperature to meet
processing requirements, such as for heat treatment, this is done in regulated cooling zones
where the heat is extracted from the rings in a
controlled manner. This not only prevents the
temperature from falling below the target level,
it also ensures that the extracted heat can be
used in a separate external system for preheating
combustion air, thus feeding it back at another
point in the overall process, Fig. 34.
Bild / Figure 34
Anlagenverbund zur Fertigung nahtlos gewalzter Ringe inkl. prozessübergreifender Wärmerückgewinnung (hier nur Wärmebehandlungssektion
dargestellt)
Integrated line for production of seamless rolled rings, including through-process heat recovery (shown here: heat treatment section only)
43
Der Anlagenverbund wird zur Fertigung eines
sehr breiten Produktspektrums genutzt. Daher
ist für einen optimalen Betrieb eine detaillierte
und durch Online-Simulationen gestützte Prozessplanung erforderlich, welche ebenfalls am BFI
entwickelt wird.
The integrated line is used to produce a very large
spectrum of products. Operating it in the most
efficient way possible requires detailed process
planning supported by online simulations, which
are also being developed by BFI.
Senkung von Energiebedarf und Schadstoffausstoß in Wärmöfen durch Einsatz neuer Brennerund Prozesstechnik
Reducing the energy demand and pollutant
emissions in reheating furnaces by using new
burner and process technology
Die Produktion qualitativ hochwertiger Metallerzeugnisse erfordert eine Erwärmung und Wärmebehandlung bei hoher Temperatur. In Zeiten steigender
Energiekosten sollten die meist fossil befeuerten
Wärmöfen möglichst effizient und emissionsarm
betrieben werden.
Producing high-quality metal products requires
heating and heat treating at elevated temperatures.
In times of rising energy costs, there is a need
for the reheating furnaces – which are mostly
fossil fired – to be operated in the most efficient
and low-emission mode possible.
Aus diesem Grund wurden in einem Forschungsvorhaben die Möglichkeiten neuer Brenner- und
Prozesstechnologie zur Senkung des Energiebedarfs
und der CO2-Emissionen aufgezeigt. Der wesentliche
Teil der Energie geht in solchen Wärmöfen über das
Abgas verloren. Ein Ansatz zur Minimierung dieser
Verluste ist, mit einer effizienten Wärmerückgewinnung die im Abgasstrom noch vorhandene Wärme
zur Brennmedienvorwärmung einzusetzen. Durch
neue regenerative Systeme können hier erhebliche
Energie- und CO2-Mengen eingespart werden. Verglichen mit Öfen ohne Wämerückgewinnung können
In a research project, the opportunities offered
by new burner and process technology to reduce
both energy demand and carbon emissions were
therefore identified. In such reheating furnaces
most of the energy is dissipated via the waste gas.
One approach to minimizing these losses is to
employ efficient heat recovery methods so that
the heat in the waste gas flow can be used for
fuel preheating. New regenerative systems could
save considerable amounts of energy and CO2 in
this way. Compared with furnaces that have no
heat recovery, this can save a substantial 50%
Bild / Figure 35
Numerische Berechnung der Strömungsverhältnisse für einen Flachflammenbrenner
Numerical computation of the flow conditions for a flat flame burner
44
beachtliche 50% Energie eingespart werden. Im
Rahmen des Forschungsvorhabens wurde hierzu
am BFI ein neues regeneratives Beheizungssystem
mit einem Flachflammenbrenner für Wärmöfen
entwickelt. Die Vorgehensweise mit parallelen experimentellen und numerischen Untersuchungen hat
sich hier als vorteilhaft herausgestellt. Durch Simulationsrechnungen der Brenner konnten im Vorfeld
die Auswirkungen auf Strömung, Verbrennung und
Schadstoffbildung überprüft werden, Bild 35. Auch
NOx-Konzentrationen konnten hiermit qualitativ
richtig vorausberechnet und anschließend durch
gezielte Optimierung reduziert werden.
on energy input. As part of the research project,
a new regenerative heating system with a flat
flame burner was developed at BFI for reheating
furnaces. The chosen approach of running parallel
experimental and numerical studies proved to
be a very favourable one. Numerical simulations
of the burners made it possible to preassess the
impacts on flow conditions, combustion and
pollutant formation (Fig. 35). This also allowed
correct prediction of the NOx concentrations,
which could then be reduced through targeted
optimization measures.
Senkung des Energiebedarfs und der Emissionsfreisetzung an Koksöfen mittels erweiterter
Diagnose- und Regelungssysteme
Lowering the energy requirement and the emissions of coke ovens with the aid of expanded
diagnostic and control systems
Aus Koksöfen werden in integrierten Hüttenwerken
mit die meisten NOx-, SO2- und Partikel-Emissionen
freigesetzt. Mittels einer Brennstoffeinsparung von
z. B. 5 % könnten rd. 180 TJ/Mio. t Koks inklusive
der dazugehörigen Emissionen eingespart werden.
Daher war das Ziel eines FuE-Verbundvorhabens
die Optimierung der Energieeffizienz bei der
Beheizung von Koksöfen und die Verringerung der
damit verbundenen Emissionsfreisetzung. Dies
wurde erreicht durch eine Einzelheizwandrege-
In integrated steel mills, a lot of the NOx, SO2 and
particulate emissions are generated by coke ovens.
If the fuel consumption could be reduced by 5%,
for example, it would be possible to save about
180 TJ per million tonnes of coke, including the
associated emissions. The objectives of a collaborative R&D project were therefore to improve the
energy efficiency of coke oven heating systems
while reducing the related emissions at the same
time. This was achieved by individual heating
Bild / Figure 36
Sauerstoffverteilung im Heizzug: Kein Rohgasübertritt (links), 10% Rohgasübertritt (mitte) und 75% Rohgasübertritt (rechts)
Oxygen distribution in the heating flue: no through-wall leakage (left), through-wall leakage rate 10% (centre), and through-wall leakage rate
75% (right)
45
lung und die Entwicklung innovativer Diagnosesysteme zur Detektierung von Störungen in den
Heizwänden (z. B. Rohgasübertritt aus der Kokswand
und Blockade der Brenngas- und Brennluftdüsen).
Am BFI wurde im Rahmen dieser Arbeiten ein
Versuchsreaktor zur Nachbildung eines Koksofenheizzuges entworfen und gebaut. Verschiedene Einflüsse (z. B. Position der Brenngaszufuhr,
Brennluft-/Brenngasvorwärmtemperatur, Verhältnis
Brennluft/Brenngas, Rohgasübertritt, Abgasrezirkulation) auf die Abgaszusammensetzung
und Temperaturverteilung wurden im Versuchsreaktor untersucht. Anhand der Ergebnisse können
Verbrennungsanomalien eines Koksofenheizzuges
ermittelt und beschrieben werden. Jede dieser
möglichen Anomalien wurde gekennzeichnet durch
verschiedene verbrennungsrelevante Prozessparameter. Mit diesen Informationen können geeignete
Gegenmaßnahmen durch die Einzelheizwandregelung getroffen werden. Ergänzt wurden die experimentellen Arbeiten am Versuchsreaktor durch
CFD-Simulationen. Bild 36 zeigt beispielsweise die
Sauerstoffverteilung im Heizzug bei verschiedenen
Rohgasübertrittsraten.
wall control and developing innovative diagnostic
systems to detect disturbances in the heating
walls (e.g. through wall leakage and blockage of
the combustion gas and air nozzles).
At BFI, work on this project included designing
and building a test reactor to simulate a coke oven
heating flue. The test reactor was used to study
various factors (e.g. position of the combustion
gas supply line, combustion air/gas preheating
temperature, combustion air/gas ratio, through
wall leakage rate, off-gas recirculation) influencing the composition of the off-gas and the
temperature distribution. The test results have
made it possible to identify and describe combustion anomalies in a coke oven heating flue. Each
of these possible anomalies was characterised by
a variety of combustion-related process parameters. This information enables the selection of
suitable countermeasures to be applied through
the control system of the relevant heating wall.
The experimental work on the test reactor was
supplemented by CFD simulations. Fig. 36 shows
the oxygen distribution in the heating flue for
various through wall leakage rates.
Simulation des Aufheizvorganges eines Gießverteilers nach Neuzustellung mit feuerfestem
Verschleißfutter
Simulation of the heating process in a casting tundish after relining with wear-resistant
refractory veneer
Flüssiger Stahl gelangt aus einer Pfanne in einen
Gießverteiler, wo er über verschiedene Tauchaus-
Liquid steel is poured from a ladle into a casting
tundish, from where it is conducted into the
Bild / Figure 37
Temperaturverlauf im Verschleiß- und Dauerfutter
Temperature profile in the refractory veneer and permanent lining
46
güsse in die Kokille gegeben wird. Die Gießverteiler bestehen aus mehreren feuerfesten Auskleidungsschichten. Vor allem die mit dem flüssigen
Stahl direkt in Kontakt stehende Auskleidung,
das Verschleißfutter, unterliegt einem hohen
Verschleiß. Die Gießverteiler werden nach jeder
Gießsequenz mit Feuerfestbeton neu zugestellt und
vor der nächsten Gießsequenz aufgeheizt. Ziel ist
eine möglichst gute und gleichmäßige Trocknung
des Verschleißfutters, da verbliebenes Restwasser
zu Qualitätseinbußen des Stahles führen kann.
Die Beheizung eines Gießverteilers erfolgt in der
Regel durch Gasbrenner im Deckel, der auf dem
Gießverteiler während des Aufheizens aufliegt.
Aus energetischer Sicht ist die Kenntnis der zur
vollständigen Durchwärmung des Gießverteilers
erforderlichen Gasmenge wichtig.
Am BFI erfolgte die Berechnung der Beheizungszeit
und Temperaturverteilung in der Auskleidung mit
Hilfe numerischer Simulation (Kombination von
Finite-Volumen-Methode (FVM) und Finite-ElementeMethode (FEM)). In einem ersten Schritt wurden
die Strömungs- und Wärmeübertragungsbedingungen vom Verbrennungsgas an die Auskleidung
im Gießverteiler bestimmt. Somit können aufgrund
der Brennerkonfiguration, Anordnung im Deckel
und der Betriebsweise der Brenner bereits lokale
Überhitzungen oder nur indirekt erwärmte Bereiche
identifiziert und ggf. eine Neugestaltung der
Auf heizung numerisch überprüft werden.
Diese Ergebnisse wurden bei der nachfolgenden
FEM-Berechnung des instationären Aufheizvorganges als Start- bzw. Randbedingungen für die
zeit- und ortsabhängige Temperaturverteilung im
Feuerfest und Stahlbau des Gießverteilers genutzt
(siehe Bild 37). Somit können gezielt Aussagen zur
Durchwärmungszeit und des erforderlichen Energieeinsatzes getroffen und Optimierungsansätze
geprüft werden.
mould via a series of submerged entry nozzles.
The tundishes are lined with several layers of
refractory material. The top layer, or refractory
veneer, which is in direct contact with the liquid
steel is particularly susceptible to wear. After each
casting sequence, the tundishes are relined with
castable refractory veneer and reheated before
the next casting sequence begins. The aim is to
achieve the best possible and most uniform drying
of the refractory veneer, since residual water can
lead to a drop in quality in the steel. The tundish
is generally heated by means of gas burners in
the cover that rests on the tundish during the
heating phase. From an energy management
point of view, it is important to know the amount
of gas that is required to achieve full heating of
the tundish.
BFI calculated the heating time and temperature distribution in the lining with the help of
numerical simulations (a combination of the finite
volume method (FVM) and the finite element
method (FEM)). In a first step, the conditions for
the flow and transfer of heat from the combustion
gas to the lining in the tundish were determined.
By considering the burner configuration, the
arrangement in the cover and operating mode of
the burners, it was possible at this stage already
to detect local overheating or areas that received
heat only indirectly and to perform calculations
to check the effectiveness of changes to the
heating design. These results were then used as
starting or boundary conditions in the following
FEM calculations of the non-steady-state heating
process for time- and locus-dependent temperature distribution in the refractory lining and the
steel structure of the tundish (see Fig. 37). This
permits specific conclusions to be drawn regarding
the time and energy input required to heat the
tundish completely and to check approaches for
improving the process.
NOx-Abbau - Energieeffiziente Entstickung der
Stahlbeizen
NOx reduction - energy-efficient denitriding of
steel pickling baths
Bei einer Vielzahl von industriellen Prozessen
entstehen stickoxidhaltige Abluftströme, wie
z. B. beim Beizen in der Edelstahlproduktion. Diese
stickoxidhaltige Abluft muss in der Regel durch
katalytische Verfahren mit zusätzlicher Vorwärmung der Abluft gereinigt werden. Durch innovative
neuartige Anlagenkombinationen kann dieser
Schritt eingespart werden. So kann z. B. die NOxhaltige Abluft der Beize den Brennern im Glühofen
als Brennluft zur Verfügung gestellt werden bzw.
Many industrial processes, such as pickling
in stainless steel production facilities, generate
exhaust air laden with nitrous oxides. This
nitrous-oxide containing air generally requires
to be cleaned using catalytic processes with prior
heating of the exhaust air. Through innovative
linking of plant and equipment, this step can now
be eliminated. For example, the NOx-containing
exhaust air from the pickling line can be fed to the
burners in the annealing furnace as combustion
47
die Vorwärmung durch Nutzung der Abwärme
aus dem Glühofen erfolgen. Bei beiden Varianten
entfällt der Einsatz von Erdgas zur Aufheizung der
Beizabluft auf Katalysatortemperatur, wodurch ein
wesentlicher Beitrag zur Verringerung des Brennstoffeinsatzes und zur Senkung der CO2-Emission
geleistet wird.
Die Hauptkomponente zum Einsatz der Beizabluft als Brennluft im Glühofen ist ein neuer
Spezialbrenner, bei dem die NOx-haltige Abluft
als Brennluft eingesetzt wird. Durch eine geeignete
Konstruktion und Verbrennungsführung in der
ersten Zone des Brenners wird eine hohe StickoxidReduktion und in weiteren Zonen eine möglichst
geringe Stickoxid-Neubildung erreicht. Die gebildeten Radikale in der Primärzone reagieren mit
den Stickoxiden, um neue Stick-Komponenten wie
z. B. Cyanwasserstoff (HCN) zu bilden. Diese StickKomponenten reagieren unmittelbar und bilden
molekularen Stickstoff N2, Bild 38. Die Luftzahl in
der primären Verbrennungszone hat einen großen
Einfluss auf die erzielbare NOx-Reduktion. In der
Ausbrandstufe kann die Stickoxid-Neu-Bildung
durch bekannte NOx-Minderungsmaßnahmen, wie
z. B. die Einstellung eines niedrigen SauerstoffPartialdrucks, beeinflusst werden.
Eine zusätzliche Maßnahme zur NOx-Minderung ist
die Vermeidung des Nachbeizens von im Beizbecken
angesammelten Zunderpartikeln bei Stillstand und
Ablassen der Beizsäure. Die zusätzliche Freisetzung
von NOx wird sicher vermieden, wenn die Sedimentation des Zunderschlamms im Beizbecken durch
Erzeugung von Turbulenzen und kontinuierlichen
Schlammaustrag unterbunden wird.
air, or preheating can be done by using the waste
heat from the annealing furnace. 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.
The main component required to utilise pickling
exhaust air as combustion air in the annealing
furnace is a new special burner capable of handling
NOx-containing exhaust air. Thanks to the structural design and combustion control in the first
zone of the burner, a high rate of nitrous oxide
reduction is achieved, while keeping the amount
of new nitrous oxide formed in the other zones
as low as possible. The radicals formed in the
primary zone react with the nitrous oxides to
form new nitrous oxide groups, such as hydrogen
cyanide (HCN). These nitrous oxide compounds
react immediately and form molecular nitrogen
N2, Fig. 38. The air index in the primary combustion zone has a major influence on the attainable
NOx reduction. In the burnout stage the formation
of new nitrous oxides can be influenced by known
NOx reduction measures, such as the adjustment
of a low partial oxygen pressure.
Another measure for reducing NOx is avoiding
the post-pickling of scale particles that have accumulated in the pickling tanks during idle times
and draining of the pickling acid. The release of
additional NOx is reliably avoided by stopping the
sedimentation of mill scale sludge in the pickling
baths. This is done by creating turbulences and
continuously extracting the sludge.
Bild / Figure 38
Temperaturverlauf im Verschleiß- und Dauerfutter
Temperature profile in the refractory veneer and permanent lining
48
Process | Iron- and Steelmaking
Abwärmenutzung an Sinterkühlern
Waste heat utilisation in sinter coolers
Eine Abwärmenutzung an Sinterkühlern ist bisher
aufgrund des niedrigen und schwankenden Temperaturniveaus der Abluft nur selten ausreichend
wirtschaftlich. Zur Verbesserung dieser Situation
führte das BFI Messkampagnen und Simulationsrechnungen durch. Basierend auf diesen Arbeiten
wurden zahlreiche Verbesserungsansätze entwickelt, mit denen sich die Temperatur von Fertigsinter und Abluft vergleichmäßigen und erhöhen
lässt. Damit können die Betriebssicherheit und
die Nutzbarkeit der Abwärme verbessert werden.
Ein erfolgversprechender Ansatz zur Nutzung der
Abwärme ist die Erzeugung von Dampf für die
prozessinterne Vorwärmung der Sintermischung.
Um die Auswirkungen einer Vorwärmung zuverlässig zu bestimmen, wurden in Zusammenarbeit
mit einem integrierten Hüttenwerk Simulationen
und Betriebsversuche an einer industriellen Sinteranlage durchgeführt.
Up to now, it has seldom been possible to utilise
the waste heat from sinter coolers because of
the low and fluctuating temperature levels
in the exhaust air. To improve this situation,
BFI conducted measurement campaigns and
performed numerical simulations. Based on this
work, numerous improvement approaches were
developed to regularise and raise the temperature of the finished sinter and the exhaust air.
This in turn improves operational reliability and
the usability of the waste heat. One promising
approach is to use the waste heat to generate
steam for in-process preheating of the sinter mix.
To reliably determine the effects of preheating,
BFI collaborated with an integrated steel mill to
conduct simulations and operational tests on an
industrial sinter plant.
Bild 39 zeigt die Zugabevorrichtung für den
Dampf in der Mischtrommel. Die Auswertung der
Betriebsversuche zeigte eine deutliche Verbesserung
der Permeabilität der Sintermischung. Dadurch
konnte der Stromverbrauch am Gebläse deutlich
gesenkt oder die Produktionsleistung um ca. 8%
erhöht werden. Die Simulationsrechnungen mit
dem Sinterprozessmodell lassen zusätzlich eine
Koks-Einsparung von ca. 2% erwarten.
Fig. 39 shows the equipment for injecting steam
into the mixing drum. An evaluation of the field
tests showed a considerable improvement in the
sinter mix permeability. It was thus possible to
reduce the electricity consumption at the blower
significantly or to increase the production output
by about 8%. According to the numerical simulations with the sinter process model, savings of
approx. 2% in coke can also be expected.
Bild / Figure 39
Zugabevorrichtung für Dampf in der Mischtrommel
Injection of steam into the mixing drum
49
Prozesstechnik | Roheisen- und Stahlerzeugung
Regelbasierte Vorschläge zur effizienteren Prozessführung eines Hochofens
Rule-based proposals for more efficient process
management in a blast furnace
In Zusammenarbeit mit zwei Hüttenwerken
wurde ein regelbasiertes System entwickelt, mit
dem bewährte Vorgehensweisen bei der Prozessführung in programmierte Regeln umgesetzt werden
können. Ausgehend von den aktuellen Betriebsdaten
sowie historischen Daten liefert dieses regelbasierte
System Vorschläge zur Ofenfahrweise.
In cooperation with two blast furnace plants,
a rules-based system was developed to implement proven process management approaches as
programmed rules. Drawing on current operating
data as well as historical data, the rules-based
system delivers suggestions for the blast furnace
operation.
Die Vorschläge erstrecken sich auf prozessrelevante Größen unterschiedlicher Themengebiete,
beispielsweise Menge der Ersatzreduktionsmittel und
Koks, Kaltwindmenge oder auch Mischwindfeuchte.
Auch Warnungen bei Über- oder Unterschreitungen
vorgegebener Werte sind implementiert. Hinter
diesen Meldungen steht eine Vielzahl von Regeln
mit „Wenn-Dann“-Abfragen von Betriebsdaten,
Parametern und wiederum anderen Regeln. So
entsteht ein komplexes Regelwerk, das in vorgegebenen Abständen durchlaufen wird und auf einem
separaten Bildschirm Hinweise und Vorschläge
ausgibt (siehe Bild 40).
These suggestions include process-related variables from different topics, such as quantity of
sub-stitute reducing agents and coke, flow rate
of the cold blast, or humidity level of the hot
blast. Warnings concerning exceedance of upper
or lower limits are also implemented. The rules
behind these messages are based on a large number
of “IF-THEN”-interrogations of operating data,
pa-rameters, and yet other rules. This results in
a complex system of rules, which is queried at
pre-determined intervals. The results are then sent
as messages and proposals to a separate screen
(see Fig.40).
Ein großer Schwerpunkt bei der Entwicklung
des regelbasierten Systems lag auf der Transparenz und Erklärung der generierten Vorschläge.
Zu jeder Meldung können daher Zusatzinformationen und eine Grafik angezeigt werden. Für die
kontinuierliche Verbesserung des Systems und der
A major aim in developing the rules-based system
was to make the generated proposals transparent
and to provide explanations. Additional text and
graphic information can therefore be displayed
along with each message. A field for comments is
also intended to allow continuous improvement
Bild / Figure 40
Bildschirmausgabe des regelbasierten Systems.
Screen output of the rule-based system
50
Prozessführung ist ein Kommentarfeld vorgesehen.
So kann das System das Bedienpersonal bei der
Prozessführung maßgeblich unterstützen und zu
einer gleichmäßigeren, effizienteren Fahrweise
beitragen.
of the system and the process management. This
system can thus provide valuable support for the
operating personnel and help them to manage
the blast furnace process in a more consistent
and efficient way.
Regelbasierte Überwachung der Wärmeabfuhr
eines Hochofens
Rule-based monitoring of the heat dissipation
of a blast furnace
Als eines der ersten Themengebiete des regelbasierten Systems wurde die Überwachung der Wärmeabfuhr am Hochofen umgesetzt. Aus Betriebserfahrungen ist bekannt, dass eine zu hohe Wärmeabfuhr
ungewollte Energieverluste bedeutet und darüber
hinaus langfristig die Hochofenwand schädigt.
Umgekehrt birgt länger andauernde zu niedrige
Wärmeabfuhr die Gefahr, dass sich die Einsatzstoffe an der Hochofenwand fest anlagern. Diese
Betriebserfahrungen zur Wärmeabfuhr wurden
in Regeln und Grenzwerten umgesetzt und mit
Datenauswertungen verifiziert. Bild 41 zeigt mit
roter und blauer Farbe die Zeitspannen, zu denen die
Wärmeabfuhr basierend auf einer vergleichenden
Auswertung der 4-h- und 90-Tages-Mittelwerte als
auffällig erkannt werden. Das regelbasierte System
bietet die Möglichkeit, die Messwerte kontinuierlich
auf diese Regeln hin zu überprüfen. Sobald einzelne
Bereiche der Wärmeabfuhr entsprechende Auffälligkeiten zeigen, wird das Bedienpersonal durch
eine Textmeldung auf dem Monitor aufmerksam
gemacht.
One of the first topics to be implemented within
the rules-based systems was the monitoring of the
heat dissipation of the blast furnace. Experience
has shown that excessive heat dissipation leads to
undesirable energy losses and ultimately results
in damage to the blast furnace wall. Conversely,
if dissipation remains too low for any length
of time, there is a risk of sticking on the blast
furnace wall. These operational experiences on
heat dissipation have been translated into rules
and limits and have been verified by data evaluation. Fig. 41 shows in red and blue the time spans
in which the heat dissipation is detected as being
outside the usual range based on a comparative
evaluation of the 4-hour- and 90-day-averages.
The rules-based system offers the possibility of
having the measured values continuously checked
against these rules. As soon as any heat dissipation areas show signs of going out of range, the
operating personnel is alerted by a text message
on the screen.
Bild / Figure 41
Zeitverlauf der Wärmeabfuhr im unteren Hochofenschacht (4-h-Mittelwerte und 90-Tages-Mittelwerte)
Heat dissipation over time in the lower blast furnace stack section (4-hour and 90-day averages)
51
Analyse des Herdverschleißes am Hochofen
Analysis of blast furnace hearth wear
Die Haltbarkeit des Gestells ist für viele Hochöfen
ein bestimmender Faktor für die mögliche Länge
der Hochofenreise. Zudem ist das Verständnis der
Schadensmechanismen im Gestellmauerwerk eine
wichtige Voraussetzung für die Sicherstellung von
Arbeits- und Betriebssicherheit am Hochofen. Das
BFI entwickelte auf Basis der Software Comsol
ein FEM-Simulationsmodell, mit dem die thermomechanischen Spannungszustände im Gestell
unter verschiedenen Randbedingungen ermittelt
werden können. Dabei wurde ein innovativer Ansatz
entwickelt, mit dem die Spannungszustände radialsymmetrisch simuliert werden, ohne dass eine Abbildung und Berechnung der Einzelsteine erforderlich
ist. So wurde eine deutliche Vereinfachung und
Beschleunigung der Simulation ohne Einbuße bei
der Ergebnisqualität möglich. Die Untersuchungen
zeigten, dass das Mauerwerk aufgrund der thermischen Ausdehnung auf der heißen Innenseite
unter hoher Spannung steht, während sich auf der
kalten Außenseite deutliche Lücken zwischen den
Einzelsteinen bilden können. Mit Hilfe des Modells
wurden die Einflüsse verschiedener Randbedingungen auf den thermo-mechanischen Zustand
ermittelt.
For many blast furnaces, the durability of
the hearth is a factor determining the possible
length of the blast furnace campaign. Moreover,
an understanding of the damage mechanisms
in the hearth masonry 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 FEM simulation model for identifying
thermomechanical stresses in the hearth under a
variety of boundary conditions. While doing so,
the Institute developed an innovative approach
allowing stress conditions to be simulated with
radial symmetry without any need for mapping
and calculation of the individual bricks. This
has substantially simplified and accelerated the
simulation process without compromising on
the quality of the results. The investigations
showed that because of thermal expansion the
masonry is subjected to high stress on the hot
inner side whereas distinct gaps can begin to
appear between the individual bricks on the cold
outer side. The model was used to determine the
effects of different boundary conditions on the
thermomechanical state.
Bild 42 zeigt eine Beispielrechnung für den Fall,
dass sich im mittleren Bereich des Gestellmauerwerks eine morsche Zone gebildet hat. Die Ergebnisse
zeigen, dass dort ein sehr hohes Schadensrisiko
Fig. 42 shows a sample calculation of a case
in which an unsound zone has developed in the
middle section of the hearth masonry. The results
show that there is a very great risk of damage at
Bild / Figure 42
Temperatur und Schadensrisiko im Hochofen-Gestellmauerwerk
Temperature and damage risks in blast furnace hearth refractory
52
besteht. Dies erklärt die Bildung von Rissen in
der morschen Zone, die die Wärmeleitfähigkeit
senkt und als Abfall der Temperatur im äußeren
Mauerwerk gemessen werden kann.
this point. This explains the formation of cracks
in the unsound zone, which lowers the heat
conductivity, resulting in a measurable drop in
temperature in the outer masonry.
Verlängerung der Standzeit von Hochofenblasformen
Extending the life of blast furnace tuyeres
Die Reduzierung unproduktiver Energieaufwendungen ist eine Möglichkeit den Energieverbrauch
von Hochöfen weiter signifikant zu senken. Unproduktive Energieaufwendungen werden hierbei
häufig durch Betriebsstillstände auf Grund des
Ausfalls und Wechsels der sogenannten Blasformen
hervorgerufen. Beim Stillstand der Hochöfen werden
zur Deckung der Wärmeverluste große Mengen an
zusätzlichem Kohlenstoff (Koks) verbraucht. Des
Weiteren müssen weite Teile der energieintensiven
Hochofenperipherie (z. B. Winderhitzer) weiter
betrieben werden. Die Erhöhung der Anlagenverfügbarkeit durch die Verlängerung der Standzeit
von Hochofenblasformen steigert daher die Energieund Ressourceneffizienz von Hochöfen signifikant.
Reducing the amount of unproductive energy
consumption is one way of achieving significant
further reductions in the energy consumed by
blast furnaces. Unproductive energy consumption
is often caused by idle times due to the failure of
tuyeres which then require replacement. When
blast furnaces are stopped, large quantities of
additional carbon (coke) are consumed in order
to compensate for heat losses. Furthermore, a
large proportion of the energy-intensive blast
furnace peripherals (e.g. hot-blast stove) still have
to be kept running. Increasing the level of plant
availability by prolonging the life of blast furnace
tuyeres therefore significantly boosts the energy
and resource efficiency of the blast furnaces.
Im Rahmen eines Forschungsprojektes werden
Hochofenbetreiber aus drei europäischen Ländern
mit dem BFI gemeinsam die Ursachen für das
Versagen von Hochofenblasformen weiter zu
erforschen und geeignete Maßnahmen zur Verlängerung der Standzeit dieser Bauteile abzuleiten.
Neben der Identifizierung von Abhängigkeiten
In a research project, blast furnace operators
from three European countries will in cooperation with BFI look more closely into the causes
of blast furnace tuyere failures and find suitable
measures for extending the life of this equipment type. In addition to identifying correlations
between blast furnace operating parameters and
Bild / Figure 43
Zerstörte Hochofenblasform
Damaged blast furnace tuyere
53
zwischen Betriebsparametern des Hochofens und
der Häufigkeit von Blasformschäden mittels multivariater statistischer Analyse wird mit Hilfe von
s. g. Messblasformen die thermische Belastung an
der Spitze der Hochofenblasform untersucht. Des
Weiteren wird ein optisches Überwachungssystem
für die Blasformen entwickelt. Die Ergebnisse des
Forschungsprojektes leisten einen Beitrag zur Steigerung der Energie- und Ressourceneffizienz von
Hochöfen in Europa.
the frequency of tuyere damage by means of multivariate statistical analysis, measuring tuyeres will
be utilised to determine the thermal loading at
the tip of the blast furnace tuyere. Besides this,
an optical monitoring system for tuyeres will be
developed. The results of the research project will
contribute towards increasing the energy and
resource efficiency of blast furnaces in Europe.
Einsatz alternativer Kohlenstoffträger in den
Einblasanlagen der Hochöfen
Use of alternative carbon materials in blast
furnace Injection systems
In den Anlagen der Eisen- und Stahlindustrie
gewinnt der Einsatz alternativer Rohstoffe zur
Verbesserung der Versorgungssicherheit und Steigerung der Wettbewerbsfähigkeit zunehmend an
Bedeutung. Voraussetzung für einen ungestörten
Anlagenbetrieb mit alternativen Rohstoffen ist die
Überprüfung und ggf. erforderliche Anpassung
der Anlagentechnik und Anlagenbetriebsweise. So
wurden im Rahmen eines internationalen Verbundvorhabens die Möglichkeiten und Grenzen der
Injektion alternativer Kohlenstoffträger über die
bestehenden Einblasanlagen in den Hochofen-
In the iron and steelmaking industry the use of
alternative input materials is becoming increasingly key to assuring continuity of supplies and
improving competitiveness. To make sure that
equipment will continue to function properly
when using alternative materials it is essential
to review and if necessary adapt the plant technology and the operating regime. Within the
scope of an international collaborative project
the possibilities and limits of injecting alternative
carbon materials via the existing injection systems
in the blast furnace shaft were thus examined.
Bild / Figure 44
Verteilgefäßunterteil PCI+®V - Verfahren (Küttner/ E.S.C.H. – Essen/Unterwellenborn) zur gleichmäßigen Versorgung der Einblaslanzen mit Ersatzreduktionsmitteln
Lower part of distributor vessel in the PCI+®V plant (Küttner/ E.S.C.H. – Essen/Unterwellenborn) for uniform supply of alternative reducing agents
to the injection lances.
54
schacht untersucht. Die in Labor- und Technikumsuntersuchungen gewonnen Erkenntnisse wurden
in Betriebsversuchen (Bild 44) erfolgreich in die
industrielle Praxis übertragen. Für die Anlagenbetreiber wurden praktische Regeln zur angepassten
Betriebsweise der Einblasanlagen – Fluidisierung
und pneumatische Förderung - sowie Hinweise
zur Anpassung des Verschleißschutzes zusammengestellt.
The findings from laboratory and pilot plant
tests were successfully transferred to practice
through industrial tests (Fig. 44). Practical rules
were drawn up for the plant operators on how
to adapt the operation of the injection systems
– fluidising and pneumatic conveying – and the
wear protection in the systems.
Kontinuierliche Prozessüberwachung für die
Flüssigmetallurgie
Continuous process monitoring for liquid
metallurgy
Zur kontinuierlichen Überwachung und Analyse
metallurgischer Prozesse sind genaue und ausfallsichere Messverfahren und Auswertemethoden
erforderlich. Hierzu entwickelt und realisiert die
Abteilung Prozessmesstechnik Metallurgie des BFI
zusammen mit den Betrieben maßgeschneiderte
Verfahren für die betriebliche Praxis. Kontinuierlich
arbeitende Sensorsysteme sind effektive und wirtschaftliche Instrumente zur Prozessoptimierung
bei der Stahlerzeugung.
Continuous monitoring and analysis of metallurgical processes calls for accurate and fail-safe
measuring techniques and evaluation methods.
In this area, the Measuring Techniques, Metallurgical Processes department at BFI works with
industrial enterprises to develop and implement
tailor-made techniques for use in industrial practice. Continuously operating sensor systems are
effective and economical instruments for optimising steelmaking processes.
Verlängerung der Lebensdauer von Ausmauerungen in Stahlwerkspfannen durch verbesserte
Beständigkeit gegen thermische, thermomechanische und thermochemische Einflüsse
Prolonging the life of linings in steelmaking
ladles by improving their resistance to thermal,
thermomechanical and thermochemical loading
Die Minimierung des Verschleißes von Feuerfestmaterial ist ein wichtiges Anliegen für Stahlhersteller. Zum Einen verursacht stärkerer Verschleiß
höhere Materialkosten, zum Anderen kann der
Stahlwerker mit genauerer Kenntnis des Verschleißes
die Produktivität und Sicherheit des Stahlwerkes
verbessern. Das BFI hat im Rahmen eines Vorhabens
Stahlhersteller bei Entscheidungen zu Materialauswahl und Prozessparametern unterstützt, um die
Lebensdauer der Ausmauerung von Stahlwerkspfannen zu verlängern. So wurde z.B. die Haltbarkeit
der Stahlwerkspfannen durch Materialoptimierung
um ca. 20 % gegenüber dem Vorjahr erhöht.
Minimizing the wear of refractory materials
is an important objective for steel producers.
Besides the fact that wear is a material cost driver,
knowledge of wear mechanisms can help the
steel maker to increase productivity and safety
levels in the steelworks. In an RFCS project, BFI
assisted steel producers in selecting materials and
process parameters in order to prolong the life of
steel ladle linings. By optimising the materials,
for example, it has been possible to extend the
life of the steel ladles by about 20% compared
to the previous year.
Am BFI wurde ein Simulationsmodell entwickelt,
dass die thermische und thermomechanische
Belastung der Zustellung von Stahlwerkspfannen
berechnet. Es werden die Temperaturwechselbeanspruchungen aufgrund der zyklischen Änderung von Abstich, Pfannenbehandlung, Abgießen
und Warmhalten der Pfannen nach Neuzustellung mit feuerfestem Material betrachtet. Mit
dem Simulationsmodell können verschiedene
Szenarien berechnet und evaluiert werden, um
optimale Produkte und Prozessparameter für
At BFI, a simulation model has been developed to
calculate the thermal and thermomechanical load
of the steel ladle lining. Thermal shock stresses
due to the cyclical changes involved in tapping,
ladle treatment, emptying and keeping the ladles
hot are considered. The simulation model allows
different scenarios to be computed and evaluated
in order to determine the optimal products and
process parameters for best possible durability.
Fig. 45 shows an example of a numerical calculation (FEM) of the stress distribution in the corner
55
eine möglichst lange Haltbarkeit zu bestimmen.
Bild 45 zeigt exemplarisch eine numerische Berechnung (FEM) der Spannungsverteilung in der Ecke
eines Wandsteins nach Aufheizen nach Neuzustellung. Die Berechnung erfolgte für drei verschiedene
Steingeometrien, um zu untersuchen, ob durch
Abschrägen oder Abrunden der Ecke die lokal sehr
hohen Spannungen in der Ecke verringert und
so Abplatzungen verhindert werden können. Die
abgeschrägte und abgerundete Ecke zeigt zwar
direkt an der Oberfläche zum Stahl geringere Spannungen, die lokal sehr hohen Spannungen werden
allerdings zur neuen Kontaktfläche hin verschoben.
Die Berechnung mittels FEM konnte so aufwändige
Versuche im laufenden Betrieb ersetzen.
of a wall brick after heating following relining.
The calculation was performed for three different
brick geometries in order to investigate whether
chamfering or rounding of the edges could prevent
the locally very high stresses in the corner, thus
avoiding spalling. Although the chamfered and
rounded corner shows lower stresses directly
at the surface where it contacts the steel, the
locally very high stresses have simply shifted
to the new contact area. The FEM computation
therefore replaced costly and time-consuming
tests in day-to-day operation.
Überwachung des Abschlackens von Stahlwerkspfannen zur Verbesserung von Ausbringung und
Stahlqualität
Monitoring of deslagging of steel ladles to
improve the yield and quality of steel
Das BFI entwickelt ein System zur Überwachung
des Abschlackens von Stahlwerkspfannen mit
dazugehöriger Bildverarbeitung und Prozessbewertung sowie ein dynamisches Prozessmodell zur
Schlackenbilanzierung. Ziel ist ein verbesserter
Abschlackvorgang, bei dem sowohl der verbleibende Schlackenanteil auf der Schmelze als auch
der Verlust an mitgelaufenem flüssigem Stahl
minimiert ist. Basierend auf der Bilanzierung von
Gewicht und Zusammensetzung der verbleibenden
Pfannenschlacke sollen Schlackenbildnerzugaben
BFI develops a system to monitor the deslagging of steelmaking ladles with associated image
processing and process evaluation, as well as a
dynamic process model for slag balance calculations. The aim is to improve the deslagging process
by minimising both the residual slag on the melt
and the amount of liquid steel entrained with the
slag. Based on the balance of weight and composition of the residual ladle slag, the addition of slag
forming agents is to be computed to achieve the
optimal conditions for desulphurisation during
Bild / Figure 45
Berechnete Spannungsverteilung in einer Stahlwerkspfanne sowie in
verschiedenen Einzelsteinvarianten mit unterschiedlichen Eckengeometrien nach dem Vorheizen der Pfanne
Calculated stress distribution in a steel ladle and in various brick
scenarios with different corner geometries after preheating of the
ladle
56
Bild / Figure 46
Abschlacken einer Stahlwerkspfanne
Deslagging of a steel ladle
zur Einstellung optimaler Bedingungen für die
Entschwefelung während der nachfolgenden Pfannenbehandlung berechnet werden.
Bild 46 zeigt einen typischen Abschlackvorgang
einer Stahlwerkspfanne, aufgenommen mit einer
CCD-Kamera.
the following ladle treatment operation.
Gasströmung
Gas flow
In vielen Prozessstufen der Roheisen- und Stahlerzeugung 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 process stages in iron and steelmaking
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 costefficient solutions for planned new installations.
Ein wichtiger und stark nachgefragter Arbeitsbereich ist die Optimierung der Entstaubung von
Konverter- und Elektrostahlwerken sowohl in Deutschland und als auch im europäischen Ausland. Hierzu
zählt auch die Erfassung von diffusen Emissionen bei
Umfüllvorgängen sowie an Spülständen. Im Rahmen
eines Pilot- und Demonstrationsvorhabens wurde
ein Verfahren zur Unterdrückung der Rauchbildung
beim Chargieren des Konverters entwickelt.
Bild 47 a) zeigt die Flammen- und Rauchausbreitung beim Roheisenchargieren in einen betrieb-
A significant area of work, for which there is
high demand both in Germany and in other European countries, is the optimisation of dedusting
in converter and electric steel making shops. This
includes the recording of diffuse emissions during
charging, melting and tapping, as well as in stirring
stations. During a pilot and demonstration project,
a method was developed to suppress fumes when
charging the converter.
Fig. 47 a) shows the flame and fume propagation during hot-metal charging in an industrial
Fig. 46 shows a typical deslagging operation in a
steelmaking ladle, recorded using a CCD camera.
Bild / Figure 47
Flammen- und Rauchausbreitung beim Roheisenchargieren in den Konverter, a) Betriebsanlage ohne Inertisierung, b) Betriebsanlage mit
Inertisierung
Flame and fume propagation during hot-metal charging to the converter, a) Industrial plant without inertisation, b) Plant with inertisation
57
lichen Konverter mit Sekundärabsaugung. In
Bild 47 b) ist die gleiche Betriebsphase für den Fall
mit Inertisierung durch CO2-Schnee dargestellt. Die
Sauerstoffkonzentration im Bereich der Schmelze
ist nun so gering, dass die Entstehung des „braunen
Rauches“ weitgehend unterdrückt wird.
converter with secondary extraction. Fig. 47 b)
shows the same process phase for the case with
inertisation by CO2 snow. The oxygen concentration
around the melt is now so low that the generation of the “brown fumes” is largely suppressed.
Für das gleiche Stahlwerk wurden die Chargierhauben einer Sekundärabsaugung entworfen, die
nun erfolgreich in Betrieb gegangen ist. Flammen
und Rauch werden nun wie in der numerischen
Simulation ermittelt, siehe Bild 48 a), in der Betriebsanlage nahezu vollständig erfasst, Bild 48 b).
Eine zusätzliche Dachabsaugung, die vom BFI
optimiert wurde, wird in Kürze realisiert.
For the same steel mill, charging hoods have
been designed for a secondary extraction system
that has now been successfully commissioned. As
determined previously in the numerical simulations, see Fig. 48 a), flames and fumes are now
being captured almost completely in the operational industrial plant, Fig. 48 2b).
An additional roof extraction system, which
has been optimised by BFI, will be implemented
shortly.
Optimierung des Reinheitsgradspülens bei der
sekundärmetallurgischen Behandlung
Optimisation of cleanliness improvement stirring during secondary metallurgy treatment
Zur Erzielung höchster Reinheitsgrade bei
hochwertigen Stahlgüten ist es erforderlich, unerwünschte nichtmetallische Einschlüsse aus der
Schmelze zu entfernen. Für die Reinheitsgradverbesserung bei der sekundärmetallurgischen
Behandlung wird hierzu das Spülen der Schmelze
mit Inertgas eingesetzt (Reinheitsgradspülen).
To achieve the highest degree of cleanliness
in high-grade steels, undesirable non-metallic
inclusions need to be removed from the melt.
During secondary metallurgy treatment, the melt
is therefore stirred with inert gas to improve its
cleanliness (soft bubbling). Suitable strategies
must be developed for this stirring in the ladle.
Bild / Figure 48
Flammen- und Rauchausbreitung beim Roheisenchargieren in den Konverter mit optimierter Sekundärabsaugung, a) numerische Simulation,
b) Bestätigung im Betrieb
Flame and fume propagation during hot-metal charging to the converter with optimised secondary extraction, a) Numerical simulation b) Confirmation in industrial practice
58
Hierfür müssen geeignete Spülstrategien in der
Pfanne entwickelt werden.
In physikalischen Modelluntersuchungen wurde
hierzu zunächst das Geschwindigkeitsfeld in der
Pfanne bei unterschiedlichen Spülsteinpositionen
und Spülraten bestimmt, um grundsätzliche Informationen zu den Strömungsverhältnissen zu erhalten.
Bild 49 zeigt die hierzu eingesetzte Versuchsanlage.
Weiterhin wurden nichtmetallischen Einschlüsse
durch Glashohlkugeln Durchmessers simuliert,
wobei das Dichteverhältnis zwischen Wasser und
Kugeln dem zwischen Aluminiumoxid und der
Stahlschmelze entspricht. Mit einem laser-optischen
Messverfahren (Phasen-Doppler-Anemometrie)
wurde in der Modellpfanne der zeitliche Verlauf
der Konzentration- und Durchmesserverteilung
der simulierten Einschlüsse bestimmt. Konkrete
Informationen zum Einfluss vom Spülgasvolumenstrom sowie Position und Anzahl der Spülsteine auf
die Einschlussabscheidung können so gewonnen
werden.
Zusätzlich wurden numerische Simulationsrechnungen durchgeführt, in denen neben den
mehrphasigen Strömungsverhältnissen (Schmelze/
Gasblasen/Einschlüsse) auch die thermischen Bedingungen berücksichtigt wurden. Insbesondere wurde
In physical model studies the velocity field
inside the ladle was therefore determined for
different stirring plug positions and stirring rates
in order to obtain basic information on the flow
conditions. Fig. 49 shows the test facility used for
this purpose. Furthermore, non-metallic inclusions were simulated using hollow glass spheres,
where the density ratio between water and spheres
corresponded to that of alumina and the steel
melt. Using a laser-optical measuring technique
(Phase Doppler Anemometry), the concentration and diameter distribution of the simulated
inclusions in the model were determined over
time. Concrete information was thus obtained
regarding how the stirring gas flow rate and the
position and number of stirring plugs influences
the separation of inclusions.
In addition, numerical simulations were
performed which took into account the thermal
conditions as well as the multi-phase flow patterns
(melt / gas bubbles / inclusions). The simulations
also focused especially on the agglomeration of
Bild / Figure 49
Physikalisches Pfannenmodell mit laser-optischem Messsystem
Physical ladle model with laser-optical measuring system
59
auch die Agglomeration der Einschlüsse simuliert,
Bild 50 zeigt das numerisch berechnete Geschwindigkeitsfeld der simulierten Stahlschmelze für
unterschiedliche Spülsteinpositionen in einem
Pfannenmodell.
inclusions. Fig. 50 shows the numerically calculated velocity field of the simulated steel melt for
different stirring plug positions in a ladle model.
Als Ergebnis der Untersuchungen werden konkrete
Strategien für das Reinheitsgradspülen erwartet, die
eine verbesserte Einschlussabscheidung ermöglichen.
The studies are expected to provide concrete
strategies for cleanliness improvement stirring
which will enable better separation of inclusions.
Verbesserung des Chrom-Ausbringens im Elektrolichtbogenofen durch Einsatz von sekundären
Al-Mg-Trägern
Improvement of Chromium-yield in the EAF by
use of briquetted Al-Mg containing filings
Zur Verbesserung des Chrom-Ausbringens bei der
Erzeugung nichtrostender Stähle im Elektrolichtbogenofen (LBO) erfolgten Untersuchungen zum
Einsatz brikettierter, sekundärer Al-Mg-Träger als
Reduktionsmittel kombiniert mit den herkömmlichen Einblasen von Aluminiumgranulat.
For improvement of the chromium yield in
the EAF during stainless steel making, the use
of briquetted metal residuals from light metal
machining as reductant has been investigated
combined with the use of granulated aluminium
injection.
Zu diesem Zweck hat das BFI in Zusammenarbeit
mit BGH Edelstahl Siegen GmbH umfangreiche
Betriebsversuche durchgeführt. Ziel ist dabei die
Optimierung der Einsatzmenge der Al-Mg-Presslinge,
so dass der Chromoxidmassenanteil der Schlacke
unter einen Zielwert von 2 % reduziert werden kann,
sowie die Einsparung von Betriebskosten.
The aim has been to opti-mize the amount
of added briquettes containing Al and Mg as
reductants in order to achieve a chromium oxide
content in the EAF slag below 2 wt.-% and to save
operational costs. Another important aspect is the
stabilisation of the remaining chromium, turning
the slag into a material for building purposes.
Ein weiterer wichtiger Aspekt ist die Stabilisierung des Rest-Chroms in der Schlacke, wodurch
aus der Produktschlacke ein umweltverträgliches
Material wird. Bei den Betriebsversuchen wurde
das teurere, eingeblasene Aluminium-Granulat als
During the trials, the costly injected Al has been
substituted stepwise by low cost Al-Mg briquettes.
The use of Al-Mg briquettes at the EAF during
stainless steelmaking has clearly demonstrated
its ability to recover the chromium out of the slag
Bild / Figure 50
Numerisch berechnetes Geschwindigkeitsfeld in einem Pfannenmodell beim Reinheitsgradspülen mit, a) zentrischer Spülsteinposition b) exzentrischer Spülsteinposition
Numerically calculated velocity field in a ladle model during cleanliness improvement stirring with, a) centrally positioned stirring plug ,
b) eccentrically positioned stirring plug
60
Process | Continuous Casting and Forming
Reduktionsmittel in verschiedenen Schritten durch
deutlich preiswerte Al-Mg-Presslinge ersetzt, die
per Schrottkorb chargiert wurden. Die Verwendung
der Al-Mg-Presslinge eignet sich gegenüber der
bisherigen Verfahrensweise klar zur Verbesserung
des Chrom-Ausbringens im LBO. Mit einer Einsatzmenge von > 14 kg/t Al-Mg Presslingen sowie einer
Einblasmenge von < 3 kg/t Aluminiumgranulat
konnte der Chromoxid-Massenanteil in der Schlacke
meist unter 2 % verringert werden.
leading to decreased chromium oxide content.
The optimal amount of the reductants for the
new procedure is > 14 kg/t of Al-Mg briquettes
and < 3 kg/t of injected aluminium. With this
procedure, a chromium oxide content of lower
than 2 wt.-% was achieved.
Die Produktschlacke hierbei lässt aufgrund ihrer
Zusammensetzung eine sehr geringe Chrom Elution
erwarten, was die Voraussetzung für die Verwen
dung als Baumaterial (z. B. Deponiebaustoff) ist.
Die Chargierung der Al-Mg Presslinge erfolgt
auf einfache Weise über Big-Bags, die zum letzten
Schrottkorb gegeben werden. Eine weitere Verbesserung der Reduktions-Effizienz wird erwartet durch
Direktzugabe von Al-Mg Presslingen zur flüssigen
Schlacke während der Flachbadphase über das
4. Deckelloch des LBO.
For the resulting solid slag product an extremely
low Cr elution is expected, which is the prerequisite for a use as building material.
The charging of the Al-Mg briquettes is applied
easily by charging of a big-bag with the briquettes
to the last scrap basket. A further improvement
of the reduction efficiency is expected by direct
charging of suitable sized Al-Mg briquettes during
the flat bath period to the liquid slag via the 4th
hole of the EAF.
Untersuchungen zu mehrphasigen Strömungen in
Stranggießkokillen
Investigations into multi-phase flow patterns in
continuous casting moulds
Eine fehlerfreie Erstarrung der flüssigen Stahlschmelze in der Stranggießkokille erfordert auch
eine möglichst genaue Kenntnis der Auswirkung
einzelner Gießparameter auf die mehrphasigen
Strömungsverhältnisse in der Kokille, da diese die
Produktqualität beeinflussen. So können z.B. hohe
Strömungsgeschwindigkeiten an der Grenzfläche
Schmelze/flüssiges Gießpulver zum Einschluss von
Gießpulver im erstarrenden Strang führen. Eine
Defectfree solidification of the liquid steel melt
in the continuous casting mould requires the
most detailed knowledge possible regarding the
effects of individual casting parameters on the
multi-phase flow conditions in the mould, since
these affect the product quality. As an example,
high flow velocities at the interface between the
melt and the liquid mould flux can lead to entrappment of mould flux in the solidifying strand. If
Bild / Figure 51
Al-Mg Pressling
Al-Mg briquette
61
Prozesstechnik | Strangguss und Umformtechnik
zu dünne flüssige Gießpulverschicht kann unter
Umständen zu einer ungenügenden Strangschmierung und damit zu Störungen des Gießprozesses
führen.
the liquid flux layer is too thin, this can result in
insufficient lubrication of the strand and cause
disturbances in the casting process.
Ziel war es daher, konkrete Angaben zu diesen
Gießparametern in Form sogenannter „Betriebsfenster“ zu erarbeiten, deren Einhaltung die geforderte Produktqualität gewährleistet. Hierzu wurden
physikalische Modelluntersuchungen und numerische Simulationsrechnungen zu den mehrphasigen
Strömungsverhältnissen durchgeführt.
The aim was therefore to establish concrete
data on these casting parameters in the form of
“operating windows” within which the parameters
have to be kept in order to assure the required
product quality. Studies on physical models and
numerical simulations were thus performed to
investigate the multi-phase flow conditions.
In physikalischen Modelluntersuchungen wurden
mittels Strömungssichtbarmachung grundlegende
Information zu den Strömungsverhältnissen in der
Kokille gewonnen. Bild 52 zeigt die hierzu eingesetzte
Versuchsanlage. Unter Anwendung der Ähnlichkeitstheorie wurden die Stahlschmelze und das Gießpulver
mit Wasser und einem entsprechenden Öl simuliert.
Die Teilbilder Bild 53 a) - c) zeigen beispielhaft die
in der Kokille sichtbargemachten Vorgänge an der
Grenzfläche der beiden simulierten Phasen Stahlschmelze (gelb) und flüssiges Gießpulver (rot). Hier
werden unterschiedliche Stranggießgeschwindigkeiten verglichen. Deutlich ist in Teilbild 53 c) ein
Eintrag von simuliertem Gießpulver zu sehen. Teilbild
53 d) zeigt die Wellenhöhen für unterschiedliche
Gießgeschwindigkeiten und Eintauchtiefen des
Tauchrohres. Rot markiert ist ein Bereich, ab dem
eine hinsichtlich eines Gießpulvereintrages kritische
Wellenhöhen an der Grenzfläche gegeben sind.
In the physical models the flow was visualised,
allowing basic information to be gained on the
flow conditions inside the mould. Fig. 80015-1
shows the test facility used for this purpose. By
applying similarity theory, the steel melt and
the mould flux were simulated with water and
a suitable oil. The pictures in Fig. 53 a) - c) show
examples of the conditions made visible in the
mould at the interface between the two simulated phases, the steel melt (yellow) and the liquid
mould flux (red). Different casting speeds are
compared here. In Fig. 53 c) it can be clearly
seen that some simulated mould flux has been
entrained. Fig. 53 d) shows the wave heights for
different casting velocities and the immersion
depths of the submerged entry nozzle. Marked
in red is an area in which the wave heights at
the interface are critical with respect to mould
flux entrapment.
Bild / Figure 52
Physikalisches Modell der Stranggießkokille, ausgestattet mit modernster PIV-Lasermesstechnik und Ultraschallsensoren
Physical model of the continuous casting mould, equipped with advanced PIV laser measuring technology and ultrasound sensors
62
a)
b)
c)
d)
Bild / Figure 53
Strömungsvisualisierung der Zweiphasen-Strömung (Wasser/Öl) in der Stranggießkokille für a) Vcast=0.6 m/min, b) Vcast=0.9 m/min, c) Vcast=1.2 m/
min, d) bestimmte Wellenhöhe,
Flow Visualisation of the two-phase flow (water/oil) in continuous casting mould, a) Vcast=0.6 m/min, b) Vcast=0.9 m/min, c) Vcast=1.2 m/min ,
d) Wave height depending on casting speed
Bild / Figure 54
Numerisch berechnetes Temperaturfeld für einen Teilbereich einer Senkrecht-Stranggießanlage, a)Oberfläche des Strangs, b) Symmetrie-Ebene im
Strang
Numerically calculated temperature field for a section of a vertical continuous casting plant, a) Strand surface, b) Symmetry plane in the strand
63
Unter Verwendung temperaturabhängiger Stoffwerte wurden zusätzlich numerische Simulationsrechnungen durchgeführt. In diesen komplexen dreidimensionalen und zeitabhängigen Berechnungen
wurden Strömung, Erstarrung und das Verhalten
des flüssigen Gießpulvers auch unter dem Einfluss
der Kokillenoszillation berücksichtigt, Bild 54. In
Abhängigkeit relevanter Gießparameter konnten
Informationen zu Temperaturen, Gießpulverver-
Numerical simulations were also performed
using temperature-dependent material properties. In these complex three-dimensional and
time-dependent calculations, the flow conditions,
solidification and the behaviour of the liquid
mould flux were also considered under the influence of mould oscillation. It was also possible
to obtain information on temperatures Fig. 54,
mould flux consumption and the formation of
Bild / Figure 55
Untersuchungen der Grenzfläche Schmelze/Gießpulver, a) Schema der Versuchsanlage mit eingebauter Strangschale und Ölabzug, b) Simulation
Studies of the liquid steel/mould flux interface, a) Schematic of the test facility with integrated strand shell and oil outflow, b) Simulation
Bild / Figure 56
Experimentell bestimmtes Geschwindigkeitsfeld in der Modellkokille mit Detailansicht an der Kokillenwand
Experimentally determined velocity field in the mould model with detailed view at the mould wall
64
brauch und der Ausbildung von Oszillationsmarken
gewonnen werden.
oscillation marks in relation to the relevant casting
parameters. As a result of these studies various
design and process engineering measures were
devised which are expected to improve product
quality and increase the yield.
In weiterführenden Untersuchungen wurde der
Gießpulverabzug in den Gießspalt zwischen Kokillenwand und Strangschale berücksichtigt. Dazu wurde
im Modell auch die Strangschale mit Gießpulverabzug
simuliert, Bild 55. Mit Hilfe eines laser-optischen
Messverfahrens (Particle-Image-Velocimetry) wurde
das Strömungsfeld in der simulierten Schmelze und
dem Gießpulver bestimmt. Bild 56 zeigt beispielhaft
diese Geschwindigkeitsfelder und in der Detailansicht
das in den Spalt abfließende Gießpulver.
In further studies, the infiltration of the mould
flux in the casting gap between the mould wall
and the strand shell was considered. To do this,
the strand shell with mould flux outflow was
simulated, Fig 55. A laser-optical measuring technique (particle image velocimetry) was used to
determine the flow velocity field in the simulated
melt and the mould flux. Fig. 56 shows an example
of these velocity fields and a detail view of the
mould flux flowing off in the gap.
Vermeidung des Schlackemitlaufens in Stranggießverteilern
Avoidance of slag carryover in continuous
caster tundishes
Zum Gießende hin kommt es beim Entleeren des
Stranggießverteilers zu einer Wirbeltrombe über
dem Verteilerausguss. Um den daraus resultierenden
Einzug von Verteilerabdeckmasse zu verhindern,
der den Reinheitsgrad des Gießproduktes unzulässig
verschlechtern kann, wird unter Umständen der
Gießprozess vorzeitig beendet und es verbleibt
eine unnötig große Menge an Restschmelze im
Verteiler. Durch den gezielten Einsatz feuerfester
Einbauten am Verteilerauslass kann das Auftreten
des Schlackemitlaufens verhindert bzw. verzögert
und so die Ausbringung erhöht werden.
Mittels physikalischer Modelluntersuchungen und
numerischer Simulationsmethoden wurden die Strömungsverhältnisse hinsichtlich des Schlackemitlaufens
systematisch untersucht. Bild 57 zeigt beispielhaft
die im Modellversuch simulierte Ausbildung einer
Wirbeltrombe für unterschiedliche Verteilerkonfi-
At the end of casting, when the continuous
caster tundish is emptying, a vortex forms above
the tundish outlet. In order to avoid slag being
carried over from the tundish and causing an
undesired deterioration in the cleanliness of the
as-cast product, the casting process is often prematurely terminated, leaving an unnecessarily large
amount of the melt in the tundish. By targeted
placement of refractory fittings at the tundish
outlet, the occurrence of slag carryover can be
prevented or delayed, thus increasing the yield.
The flow conditions regarding slag carryover
have been systematically investigated by means
of studies on physical models as well as numerical
simulations. Fig. 57 shows an example of the
vortex simulated in the tests on the model for
different tundish configurations. A variety of
Bild / Figure 57
Simuliertes Schlackemitlaufen im physikalischen Modellversuch: a)ohne Einbauteil, b) mit Einbauteil
Simulated slag carryover in a test with a physical model, a) without fitting, b) with fitting
65
gurationen. Zur Beeinflussung der Auslaufströmung
wurden unterschiedliche Varianten von Feuerfesteinbauten untersucht. Dabei konnte der positive Einfluss
der feuerfesten Einbauteile auf die Minimierung
des Füllstandes nachgewiesen werden, Bild 58. Die
numerischen Simulationsrechnungen gaben bei den
durchgeführten Untersuchungen Aufschluss über den
instationären Temperaturverlauf in der Schmelze.
Damit konnte der Nachweis erbracht werden, dass
die Schmelzentemperatur durch die Einbauten nicht
signifikant im Hinblick auf ein „Einfrieren“ der Stränge
beeinflusst wird, Bild 59.
refractory fittings were investigated to see how
they influenced the outflow during emptying.
The positive influence of the refractory fittings in
minimising the final filling level was demonstrated,
Fig. 58. The numerical simulations carried out
during the studies provided information about
the non-steady state temperature conditions in
the melt. It was thus possible to demonstrate that
the furniture does not affect the melt temperature
to any significant extent that there would be a
risk of “freezing” the strands, Fig. 59.
Als Ergebnis der Untersuchungen konnte die
optimale konstruktive Ausführung und Position
der Einbauteile erarbeitet werden, bei deren Einsatz
das Schlackemitlaufen deutlich später einsetzt.
As a result of the studies it was possible to optimise the design and positioning of the fittings
which considerably delayed the onset of slag
carryover when used.
Numerische Untersuchung zum dynamischen Verhalten von Einschlüssen in Meniskusnähe
Numerical studies on the dynamic behaviour of
inclusions near to the meniscus
Das dynamische Verhalten von nicht-metallischen
Einschlüssen in der Kokille ist von maßgeblicher
Bedeutung für den Reinheitsgrad des Stranges und
damit für die Produktqualität. Informationen in
wie weit sich solche Einschlüsse, die sowohl Desoxidationsprodukte als auch eingetragenes flüssiges
Gießpulver sein können, abscheiden oder an der
erstarrten Strangschale eingefangen werden, sind
daher von hohem Interesse.
The dynamic behaviour of non-metallic inclusions in the mould is of crucial importance for
the cleanliness of the cast strand and thus for
product quality. It is therefore of great interest
to know how far such inclusions – which can be
both deoxidation products and entrained liquid
casting powder – segregate out or are caught in
the solidifying strand shell.
Zur Untersuchung des Einschlussverhaltens wurde
ein spezielles Simulationsmodell eingesetzt, das eine
To investigate the behaviour of inclusions, a
special simulation model was used which allows
Bild / Figure 58
Im Modellversuche ermittelte Füllstände für unterschiedliche Einbaukonfigurationen (umgerechnet auf den Betrieb) ab denen mit Schlackemitlaufen zu rechnen ist
Filling levels for different tundish furniture configurations at which slag carryover can be expected to begin, as determined in model tests (and
converted to industrial-scale figures).
66
verbesserte Abbildung dieses Verhaltens ermöglicht.
Von besonderem Interesse war das Verhalten in der
„mushy zone“, dem Übergangsbereich zwischen
Schmelze und vollständig erstarrtem Strang. Hier
wurde dem Simulationsmodell eine „Einfangwahrscheinlichkeit“ auch unter Berücksichtigung der
stochastischen Natur der Strömung zugrunde gelegt.
better mapping of this behaviour. One area of
particular interest was the behaviour in the
“mushy zone”, i.e., the transition zone between
liquid melt and fully solidified strand. Here the
simulation model was based on a “trapping probability” while also taking the stochastic nature
of the flow into account.
Im Rahmen der Untersuchung in einer KnüppelStranggießkokille wurden die verschiedenen Arten
von Einschlüssen durch Zugrundelegung relevanter
Massendichten und Durchmesser charakterisiert.
Die nachfolgend beschriebenen Ergebnisse beziehen
sich auf Gießpulvereinschlüsse mit einer Dichte von
2.540 kg/m3 und einem Durchmesser von 100µm.
During the studies on a billet continuous casting
mould the different types of inclusions were characterised based on the relevant mass densities
and diameters. The results described below relate
to casting powder inclusions with a density of
2,540 kg/m³ and a diameter of 100µm.
In Bild 60 sind die numerisch ermittelten
Einschlussverteilungen in verschiedenen Ansichten
zu sehen. In Bild 60 a) ist deutlich zu erkennen,
dass nur wenige Einschlüsse in den Bereich des
Meniskus gelangen. Das bedeutet, dass hier in der
Kokille nur wenige Einschlüsse abgeschieden bzw.
im Bereich des Meniskus eingefangen werden. Der
Großteil der Einschlüsse wird dort eingefangen, wo
sich bereits eine deutliche Strangschale ausgebildet
hat. Bild 60 b) zeigt die Verteilung der Einschlüsse
über den Strangquerschnitt. Hinterlegt ist hier als
Farbraster die Strangkontur am Kokillenaustritt
(blau bedeutet vollständig erstarrt). Auch hier ist
zu erkennen, dass nur wenige Einschlüsse nahe
der Strangoberfläche zu finden sind.
Fig. 60 shows the numerically determined inclusion distributions in various views. In Fig. 60 a)
it can be clearly seen that only a few inclusions
reach the meniscus region. This means that at this
point within the mould only a few inclusions are
segregated out or trapped in the meniscus region.
The major part of the inclusions is entrapped at
the point where a distinct strand shell has already
formed. Fig. 60 b) shows the distribution of the
inclusions across the strand cross-section. In this
image, the strand contour at the mould exit has
been plotted in colour in the background (blue
means completely solidified). Here, too, it can be
seen that there are only a few inclusions in the
zone near the strand surface.
Bild / Figure 59
Berechnetes Temperaturfeld in einem Stranggießverteiler bei Einsatz von zwei Einbauteilen (halber Verteiler Längsschnitt)
Computed temperature field in a continuous caster tundish when using two pieces of furniture (longitudinal section, half-tundish)
67
Durch den Einsatz eines speziellen Simulationsmodells konnten Informationen zum Einfluss der
Gießparameter auf das dynamische Verhalten von
nicht-metallischen Einschlüssen und damit auf den
Reinheitsgrad und die Produktqualität gewonnen
werden.
By using a special simulation model, it was
possible to obtain information on the influence
of the casting parameters on the dynamic behaviour of non-metallic inclusions and thus on the
cleanliness and therefore for quality of the product.
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 der Beurteilung der Homogenität der Wärmeabfuhr. Die
vom BFI entwickelte Technik zur ortsaufgelösten
Temperaturmessung bietet folgende Vorteile:
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 following
advantages:
– Nur ein Anschluss pro Kokillenseite
– Keine Beeinflussung durch elektromagnetische
Felder
– Freie Positionierung der Temperaturmessstellen
– Erkennung von Störungen des Strangschalenwachstums (Kleber)
– Vermeidung von Durchbrüchen
– Bestimmung der Wärmeabfuhr im Gießspiegelbereich
– Beurteilung der Homogenität der Wärmeabfuhr
– Only one connection per mould side
– Not affected by electromagnetic fields
– Free positioning of the temperature measuring points
– Detection of disturbances in strand shell
growth (metal sticking to the mould)
– Avoidance of powder entrapment
– Determination of heat dissipation in the
mould level zone
– Assessment of the homogeneity of heat dissipation
Bild / Figure 60
Einschlussverteilung in der Kokille, links: Seitenansicht, rechts: im Strangquerschnitt
Distribution of inclusions in the mould, left: vertical slice, symmetry plane side view, right: in the strand cross-section
68
In der Bild 61 ist exemplarisch die Auswirkung
verschiedener Gießpulver auf die Wärmeübertragung in der Kokille in Form von Temperaturverläufen an verschiedenen Positionen unterhalb des
Meniskus dargestellt. Bis 150 mm unterhalb des
Meniskus wird ein deutlicher Einfluss des verwendeten Gießpulvers auf die Kokillenwandtemperaturen festgestellt.
Fig. 61 shows the effects of different casting
powders on the heat transmission within the
mould in the form of temperature profiles at
different positions below the meniscus. It has
been observed that the casting powder used has
a distinct effect on the mould wall temperatures
down to a depth of 150 mm below the meniscus.
Flächige Messung der Strangoberflächentemperatur in der Sekundärkühlung
Planar measurement of the strand surface
temperature in secondary cooling
Eine wesentliche Voraussetzung für eine gute
Innen- und Rissqualität ist die gezielte Erstarrung
des Stranges in der Sekundärkühlung. Wiedererwämungsvorgänge und Schwankungen der Erstarrungsgeschwindigkeit zwischen den einzelnen
Kühlzonen können Risse und unerwünschte Seigerungen hervorrufen.
Controlled strand solidification during secondary
cooling is a key precondition for good internal
quality and low incidence of cracking. Reheating
processes and solidification rate variations between
individual cooling zones may result in cracking
and undesirable segregation phenomena.
In der Regel wird die Strangoberflächentemperatur
des erstarrenden Strangs erst nach Verlassen der
Sekundärkühlung gemessen. Um aussagekräftigere
Erkenntnisse über die ortsaufgelöste Kühleffizienz
der Sekundärkühlung zu erhalten, ist eine flächenhafte Temperaturmessung bereits zwischen den
Generally, the surface temperature of the solidifying
strand is only measured after the strand has left the
secondary cooling zone. Planar temperature measurement performed at an early stage, i.e. between
the individual cooling zones, is a major precondition for obtaining meaningful findings about the
Bild / Figure 61
Beobachtung der Schmierwirkung von manuellen Gießpulverzugaben in einer Knüppelkokille
Observation of the lubricant action of manually added casting powder in a billet mould
69
einzelnen Kühlzonen eine wesentliche Voraussetzung.
Hierzu wurde ein Temperaturscanner entwickelt,
der innerhalb der Sekundärkühlung an verschiedenen Positionen eingesetzt werden kann. Die so
gewonnene Oberflächentemperaturverteilung wird
zur Justage des zugrundeliegenden Prozessmodells
genutzt. Darüber hinaus werden suboptimale Anlagenzustände sofort erkannt und die Entwicklung
neuer Kühlstrategien erheblich vereinfacht.
spatially resolved cooling efficiency in secondary
cooling. For this purpose a temperature scanner was
developed which can be used at different positions
during secondary cooling.The surface temperature
distribution obtained in this way is used to tune the
underlying process model. Furthermore, suboptimal
equipment operating performance is immediately
recognised, which considerably simplifies the development of new cooling strategies.
In Bild 62 ist exemplarisch die Auswirkung einer
Gießgeschwindigkeitsverminderung auf die Oberflächentemperatur in der zweiten Sekundärkühlzone
zu erkennen. Obwohl die Durchflüsse der zweiten
Kühlzone proportional zur Gießgeschwindigkeit
gesteuert werden, treten bei dieser Versuchscharge
kritische Kantentemperaturen auf, die zu Strangrissen führen können.
As an example, Fig. 62 shows the effects of casting
speed reduction on the surface temperature in
the secondary cooling zone. Although the flow
rates in the second cooling zone are controlled
so as to be proportional to the casting speed, in
this test batch critical edge temperatures have
occurred which could lead to cracks in the strand.
Bild / Figure 62
Flächige Bestimmung der Strangoberflächentemperatur innerhalb der zweiten Sekundärkühlzone bei Gießgeschwindigkeitsverminderung
Determination of planar strand surface temperature in the second secondary cooling zone with a reduction in casting speed
70
Blockguss
Ingot casting
Beim steigenden Guss wird die Kokille über ein
spezielles Eingießsystem von unten mit Stahlschmelze 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 Strömungsverhaltens zu erarbeiten. Das
Eingießsystem wird 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. Einschlüsse sollen sich weitestgehend an der
Oberfläche abscheiden.
As the name suggests, in the bottom pouring
method, the steel 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 is modified such that the stream of hot
melt entering 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. Inclusions should be separated
out as far as possible at the surface.
Zur qualitativen Erfassung der strömungstechnischen Vorgänge wurde als Methode der Strömungssichtbarmachung das Lichtschnittverfahren
angewendet. Durch geeignete Lichtquellen wird
The technique chosen to record the qualitative
aspects of the flow processes and make them visible
was the light scattering method. Using suitable
light sources, an illuminated plane is created in
Bild / Figure 63
Strömungsfeld in der Symmetrieebene der Kokille, a) sichtbargemachte Strömung im physikalischen Modell, b) berechnetes Strömungsfeld für
Originalkokille
Flow field in the symmetry plane of the mould, a) flow visualization in the physical model, b) computed flow field for the original mould.
71
im Modell eine beleuchtete Ebene aufgespannt.
Partikeln, die sich durch diese Lichtschnittebene
bewegen, reflektieren das Licht. Fotografische
Aufnahmen der so resultierenden Streulichtbahnen
mit einer längeren Belichtungsdauer spiegeln somit
in guter Näherung eine zweidimensionale Projektion
des Strömungsfeldes in dieser Lichtschnittebene
wider. Die Aufzeichnung mittels digitaler Videokamera erlaubt zusätzlich eine Beurteilung der
zeitabhängigen Strömungsverhältnisse. Zusätzlich wurde das instationäre Strömungsfeld für
die ausgewählte Kokille mit Hilfe numerischer
Strömungssimulation berechnet.
the model. Particles which move through this
light section plane reflect the light. Photographs
of the resulting light scattering paths taken with
longer exposure times then provide a good approximation of a two-dimensional projection of the
flow velocity field in this light section plane. By
recording the process with a digital video camera
it is also possible to draw conclusions about the
flow conditions over time. In addition, the transient flow field was computed for the selected
mould with the help of numerical simulations.
Bild 63 a) 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 63 b) ist zum Vergleich das berechnete
Strömungsfeld für die gleiche Füllhöhe dargestellt.
Fig. 63 a) shows the flow 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. 63 b) shows the
computed flow field for the same filling height.
Intelligente selbstlernende Regelung von RichtProzessen unter Verwendung von Soft-Sensoren
zur Voraussage von Eigenspannungen und Planheit
Intelligent self-learning control of levelling
processes using soft sensors to predict residual
stresses and flatness
Ziel des begonnenen Forschungsvorhabens ist
die Entwicklung eines Prozessmodells für ein
Vielrollen-Richtaggregat für Stahlbandmaterial.
Mittels dieses Modells wird sowohl ein automatisiertes, auto-adaptives Set-up System als auch
ein modernes Regelungssystem zur Herstellung
eigenspannungsminimierten und planen Bandmaterials bei gleichzeitig minimalem erforderlichem Streckgrad entwickelt. Dabei kommen zu
entwickelnde Soft-Sensoren zum Einsatz, die die
Eigenspannungen des Bandmaterials vorausberechnen. Die Regelung berücksichtigt weiterhin
auch die Beeinflussung des Bandzustands durch
Biegevorgänge, wie sie durch Umlenkrollen oder
den Auf- und Abhaspelvorgang vorkommen.
The aim of this recently begun research project
is to develop a process model for a multi-roll levelling machine for strip steel. This model itself will
be used to develop an automated auto-adaptive
set-up system and a modern closed-loop control
system to produce flat strip material with minimised residual stresses with the minimum necessary degree of stretching. Soft sensors, which are
yet to be developed, will be used here to predict
the residual stresses in the strip. The closed loop
control will, furthermore, take account of the strip
condition caused by bending around deflector
rolls or during coiling and uncoiling operations.
Die Einstellungen der Richtaggregate werden
nach wie vor basierend auf dem Know-how des
Anlagenpersonals vorgenommen. Die subjektiven,
visuellen Eindrücke und die persönlichen Erfahrungen des Bedienpersonals bilden die Basis für
diese Entscheidungen. Der stetig steigende Einsatz
höherfester Stähle mit ihrem begrenzten Umformvermögen erfordert den Einsatz von Richtstrategien
zur Vermeidung des Verlusts wichtiger Umformreserven bei gleichzeitiger Minimierung der
Eigenspannungen und Verbesserung der Planheit.
The levelling machine settings will be adjusted
as before based on the know-how of the machine
operators. These decisions will rest on the subjective, visual impressions and the personal experience of the operators. The steady increase in the
use of high-strength steels with their limited
forming capability demands the use of levelling
strategies to avoid losing significant forming
potential while at the same time minimising
residual stresses and improving flatness.
72
Entwicklung eines neuartigen Verfahrens zur Einstellung der mechanischen und topographischen
Eigenschaften von Bandmaterial innerhalb eines
Prozessschrittes
Development of a novel method for adjusting
mechanical and topographical properties of
strip material within one process step
Ziel des abgeschlossenen Forschungsvorhabens
war die Entwicklung eines Streckbiege - Dressier –
Verfahrens, das beide Prozessstufen „Dressieren“
und „Streckbiegerichten“ in einer Prozessstufe
vereint. Damit könnte die eigenständige kapital- und
energieintensive Prozessstufe Dressieren aus dem
Gesamtprozess eliminiert und die Endbearbeitung
von Metallbändern vereinfacht werden.
The key objective of this research project was
to develop a new method which combines the
two process stages of temper rolling and tension
levelling into one single step. This would make
it possible to eliminate the capital- and energyintensive step of temper rolling from the overall
process and simplify the finishing of strip metal
materials.
Das Einstellen der mechanischen Eigenschaften,
wie es bisher im Dressierwalzprozess erfolgt, ist
auch in einem Richtprozess, beispielsweise einem
Streckbiegerichtvorgang, möglich. Zwecks Einprägung der gewünschten Oberflächentopographie
wird eine Richteinheit eingesetzt, bei der zusätzlich
zu den herkömmlichen Richtrollen Druckwalzen
eingebaut sind, die den Richtrollen gegenüberliegend angeordnet sind und mit der eine einseitige
Druckverformung des Metallbandes bewirkt wird.
The adjustment of mechanical properties, as
hitherto achieved by temper rolling, can also be
achieved by a levelling process such as tension
levelling. To impose the desired surface topography, a leveller is used which incorporates not
only the conventional leveller rolls, but has
additional pressure rolls arranged opposite to
the leveller rolls, thus achieving compressive
deformation on one side of the metal strip.
Der Spannungszustand im Metallband bei Biegung
über die Richtrolle unter Zug wird zur Aufprägung
einer definierten Topographie auf das Metallband
ausgenutzt. Die Biegung unter Zug erzeugt einen
Längszugspannungsverlauf über der Dicke des
Bandes mit einem Maximum im Bereich der der
Richtrolle gegenüberliegenden Oberfläche des
Bandes. Die zusätzliche Beanspruchung durch
die Druckwalze in Kombination mit dieser biegeinduzierten Längsspannung unterstützt die örtliche
Plastifizierung, die zur Einstellung der gewünschten
mechanischen Eigenschaften (z.B. n-Wert und Streckgrenze) sowie der Aufprägung der gewünschten
Oberflächentopographie erforderlich ist.
Der herkömmliche Dressierprozess stellt zur
Einstellung o.g. Eigenschaften im wesentlichen
nur ein Stellglied, die Walzkraft, zur Verfügung.
Damit können Kompromisse verbunden sein bei
der Beantwortung der Frage nach Schonung der
vorhandenen Umformreserve durch einen angepassten Dressiergrad oder der Einstellung der
gewünschten Rauheitsübertragung.
The inner stresses prevailing in the metal strip
as it is bent under tension by the leveller roll are
exploited to impress a defined topography on the
strip material. Tension levelling generates a longitudinal tensile stress profile over the thickness of
the strip, which peaks in the region of the strip
surface opposite the leveller roll. The additional
loading by the compression roll combines with
this bending-induced longitudinal stress to assist
the local plasticisation necessary to adjust the
desired mechanical properties (e.g. n-value and
yield strength) and to impress the desired surface
topography on the material.
Das neue Verfahren bietet wegen der größeren
Vielfalt vorhandener Stellglieder die Möglichkeit,
die Rauheitsübertragung und den Dressiergrad
unabhängig voneinander einzustellen. Im Rahmen
des Projektes wurden FE-Modelle entwickelt, die
das hybride Verfahren wie auch den Rauheitsübertragungsprozess simulieren. Gleichzeitig dienten
Because of the greater variety of available
actuators, the new process offers possibility of
adjusting the surface texture and the degree of
tempering independently of one another. In the
course of the project, FE models were developed
to simulate the hybrid process and the transfer
of roughness. At the same time, the simulation
The conventional temper rolling process essentially offers only one actuator – the rolling force
– for adjustment of the above-mentioned properties. This can involve trade-offs when it comes
to assessing the relative merits of maintaining
existing deformation reserves by adapting the
temper rolling regime or achieving the desired
degree of surface roughness.
73
die Simulationsergebnisse der Unterstützung der
Entwicklungs- und Konstruktionsarbeiten. Nach
erfolgreicher Implementierung der neuentwickelten
Streck-Biege-Dressiereinheit konnte im Rahmen von
Versuchskampagnen die getrennte Einstellbarkeit
der mechanisch-technologischen Eigenschaften
und der Bandtopographie nachgewiesen werden.
Gleichzeitig konnte die Walzkraft für vergleichbare
Dressiergrade und Rauheitswerte im Vergleich zu
dem herkömmlichen Dressierwalzprozess um ca.
25% reduziert werden. Die grundsätzlichen technologischen Zusammenhänge wurden herausgearbeitet
und mittels Einflussfunktionen wiedergegeben. Ein
erster Entwurf eines Set-up zur Anlagenvoreinstellung sowie ein empirisches Prozessmodel wurden
entwickelt. In anwendungstechnischen Untersuchungen konnte die grundsätzliche Vergleichbarkeit
der sich einstellenden Bandeigenschaften bezogen
auf den herkömmlichen Fertigungsprozess aufgezeigt
werden. Basierend auf dem identifizierten Optimierungsbedarf die Biegedressieranlage betreffend
wurden Richtlinien erarbeitet zur Übertragung der
neuen Technologie auf einen industriellen Maßstab.
results supported the development and design
work. After successful implementation of the
newly developed tension levelling temper rolling
unit, test campaigns demonstrated that it was
possible to achieve separate adjustment of the
mechanical-technological properties and the strip
topography. At the same time, it was possible to
reduce the rolling force by some 25% relative to
the conventional temper rolling process and still
achieve comparable degrees of temper rolling and
roughness values. The fundamental technological
interrelationships have been derived from this
and mapped out in influencing functions. An
initial draft set-up for configuring the plant and
an empirical process model have been developed.
In applied studies, the basic comparability of the
strip properties produced by this method to those
achieved by the conventional manufacturing route
have been demonstrated. Based on the identified
optimisation points in the tension levelling temper
rolling system, guidelines have been drawn up for
transferring the new technology to an industrial
scale.
Hybrides Messsystem zur Online-Erfassung von
Oberflächenform und Glanz gewalzter Bänder mit
beliebigem Reflektionsverhalten
Hybrid measuring system for online detection of
surface shape and shine of rolled strip for any
reflection behaviour
Ziel des Projektes war es, die für Flachmaterial
wichtigen Qualitätsmerkmale Planheit und Glanz,
kombiniert für alle Reflektionsbedingungen über
The aim of this project was to achieve combined
online recording of the important quality features
of shape and shine over the strip length and width
Bild / Figure 64
Versuchsanlage zum Biegedressieren
Test plant for tension levelling temper rolling
74
Bandlänge und –breite online zu erfassen. Zur
Berücksichtigung diffuser und spiegelnder Anteile
wurden die Messprinzipien Streifenprojektion und
Rasterreflektion zusammengeführt.
for all reflection conditions. To take account of
diffuse and mirror-effect components, the measuring principles of fringe projection and grid
reflection were merged.
Oberflächen von Flachprodukten weisen sowohl
spiegelnde als auch diffuse Reflektionseigenschaften
auf. Um die Oberflächenqualität durchgängig
The surfaces of flat products have both mirrorlike and diffuse reflection characteristics. In order
to be able to record the surface quality throughout,
Bild / Figure 65
Vergleich herkömmlichem mit hybridem Verfahren hinsichtlich erforderlicher Walzkräfte zur Einstellung des Dressiergrades (Elongation)
Comparison of conventional and hybrid methods regarding the required rolling forces to adjust the degree of temper rolling (elongation)
75
erfassen zu können, war deshalb ein hybrides
Online-Messgerät zur Ermittlung der Planheit
und des Glanzgrades für ein großes Spektrum
unterschiedlich reflektierender Oberflächen zu
entwickeln.
it was therefore necessary to develop a hybrid
online measuring device to detect the flatness and
degree of shine for a large spectrum of surfaces
with different reflection characteristics.
Das angewandte Messverfahren basiert auf einer
Kombination der beiden kamerabasierten Formmessverfahren Streifenprojektion und Rasterreflektion. Ein Projektor projiziert ein Raster auf die zu
vermessende Oberfläche. Eine Kamera ist auf den
projizierten Bereich des Messobjekts ausgerichtet
und erfasst den diffusen Anteil des von der Oberfläche zurückgestrahlten Anteils. Der spiegelnde
Anteil bildet sich auf einer Schirmplatte ab. Die
andere Kamera ist auf den Schirm ausgerichtet
und erfasst somit den reflektierten Anteil (Bild
66 links).
The applied measuring technique is based on
a combination of two shape-measuring methods
using cameras, namely fringe projection and
grid reflection. A projector projects a grid on the
surface to be scanned. One camera is focused on
the projected grid on the object to be measured and
records the diffuse portion of the light scattered
from the surface. The mirror-like portion is thrown
onto a screen. The other camera is focused on the
screen and thus records the reflected component
of the light (Fig. 66 left)
Die Entwicklung des hybriden Messsystems konnte
sehr effektiv mittels Simulationsrechnungen durchgeführt werden. Der Prototyp des Messsystems
wurde bei ThyssenKrupp Nirosta in Krefeld an einer
Blankglühlinie installiert und für einen Zeitraum
von ca. 6 Wochen in Betrieb genommen (Bild 66
rechts).
The development of the hybrid measuring
system was achieved very effectively by means
of numerical simulations. The prototype of the
measuring system was installed at ThyssenKrupp
Nirosta in Krefeld on a bright annealing line and
operated over a period of approximately 6 weeks
(Fig. 66 right).
Neuartige Walzmethoden für warmgewalzte
AHSS Stähle
Novel rolling techniques for hot rolled AHSS
steels
Die Entwicklung höher- und höchstfester Stähle
mit guter Verformbarkeit stellt verstärkt hohe
Anforderungen an den Walzprozess. Ziel des
Projektes war die Analyse der Anforderungen an den
Warmwalzprozess, die aus dem vermehrten Einsatz
The development of super high-strength steels
with good formability is posing increasingly high
demands on the rolling process. The objective of
this project was to analyse the demands on the
hot rolling process resulting from the increased
Bild / Figure 66
TopPlanHybrid: links) Verlauf eines Lichtstrahls vom Projektor über das Messobjekt zu den Kameras, rechts) Einbau hinter eine Blankglühlinie bei
TKN Krefeld
TopPlanHybrid, left) Course of a ray of light from the projector via the object to be measured to the cameras, right) Installation behind a bright
annealing line at TKN Krefeld
76
dieser Stähle resultieren mit einer nachfolgenden
Erarbeitung neuer Methoden zur Gewährleistung
der Herstellbarkeit dieser Stähle in geringen Dicken
bei guter Planheit.
use of these steels, followed by the development
of new techniques to assure the producibility of
these steel grades in thin-gauge qualities with a
good flatness profile.
Neben der Entwicklung neuer 3D FEM-Methoden,
die eine bessere Beurteilung des Einflusses von
transversalen Temperaturvariationen auf die Planheit erlauben sowie das elastische Verhalten der
Walzgerüste beschreiben, wurden ebenfalls Effekte
aus thermischen wie auch mikrostrukturellen
Inhomogenitäten auf den sich einstellenden Eigenspannungszustand und die Neigung zur Ausbildung
von Unplanheiten untersucht.
In addition to developing new 3D FEM methods
allowing better assessment of the effects of transversal temperature variations on flatness as well
as describing the elastic behaviour of rolling
stands, studies were also undertaken to investigate the effects of thermal and microstructural
inhomogeneities on the ensuing residual stresses
and the tendency of the material to deviate from
the target flatness specifications.
Basierend auf der Dissertation von B. Berger
aus dem Jahre 1975 (Die elastische Verformung
der Walzen von Quarto-Walzgerüsten und die
Beeinflussung der Walzspaltform durch Walzenbiegevorrichtungen) wurde ein Modell entwickelt,
das den Walzspalt unter Berücksichtigung der
vorherrschenden Walzkraft und der Interaktion
zwischen Arbeits- und Stützwalze darstellt. Der
Vergleich mit Industriedaten zeigte eine gute
Übereinstimmung.
Based on a dissertation by B. Berger from 1975
(The elastic deformation of rolls in four-high
rolling stands and the effects on the roll gap
shape due to roll bending equipment), a model
was developed to represent the roll gap while
taking account of the prevailing rolling force
and the interaction between the work roll and
the backup roll. A comparison with industrial
data showed a good degree of correlation.
Die Berücksichtigung aus FEM Berechnungen
abgeleiteten Breitungsbeträgen zeigte keine signifikanten Auswirkungen auf das resultierende Planheitsergebnis. Anhand einer Sensitivitätsstudie
konnten die Parameter „Walzkraft“, „Arbeitswalzenbombierung“ und „Arbeitswalzenbiegung“ als
signifikanteste Parameter mit Wirkung auf das sich
einstellende Bandquerprofil und die Bandplanheit
identifiziert werden.
The inclusion of spreading values derived from
FEM computations showed no significant effects
on the resulting flatness. In a sensitivity study,
the roll force, work roll crowning and work roll
bending were identified as the most significant
parameters affecting the resulting cross-sectional
strip profile and strip flatness.
Anhand eines entwickelten Modells konnten
unterschiedliche mikrostrukturelle Ausprägungen an der Bandunter- bzw. Bandoberseite
als Ursache für Planheitsprobleme identifiziert
werden. Zusätzlich wurden im letzten Teil des
Kühkstrecke Planheitsprobleme generiert. Beide
Effekte werden durch das auf den Walzvorgang
gerichtete Planheitsmodel nicht angebildet.
With the help of a developed model, various
microstructural patterns on the strip upper and
lower side were identified as causing flatness
problems. In addition, flatness problems were
generated in the last section of the cooling line
Neither of these effects are reflected in the flatness model which focuses on the rolling process.
Minimierung der Ertragsverluste durch Kantenabfall, Breitung und Formfehlern durch integrierte
Regelung auf Basis von Software Sensoren und
innovativer Aktuatorik in Kaltwalzwerken.
Minimisation of yield losses due to edge drop,
spreading and shape defects through integrated
closed-loop control based on soft sensors and
innovative actuators in cold rolling mills
Ziel des Projektes ist es, den Kantenabfall und die
Breitung beim Herstellungsprozess von Flachprodukten zu optimieren. Betrachtet werden der Entstehungsort und die Entstehungsmechanismen. Dies
The objective of the project is to improve edge
drop and spreading in flat product production
processes. The studies use measurements and
models to consider both the point of origin of
77
geschieht auf Basis von Messungen und Modellen. In
der Industrie werden die gewonnenen Erkenntnisse
in Form eines Software Sensors implementiert, der
den Herstellungsprozess hinsichtlich Kantenabfall
und Breitung begleitet. Das BFI hat in diesem Zusammenhang ein optisches Messverfahren entwickelt,
welches das Bandkantenprofil über die Bandlänge
traversierend erfasst und an unterschiedlichen
Orten im Walzwerk temporär installiert wird. Diese
Messungen bilden die Grundlage für das Verständnis
der Vorgänge im Bandkantenbereich von Bändern
während des Walzprozesses. Die Kombination von
dreidimensionalen Modellen und numerischen
Simulationen dienen dazu, die Breitung und das
Profil der Bänder zu analysieren. Die Messungen
helfen die Modelle zu validieren. Verschiedene Aktuatoren zur Beeinflussung des Kantenabfalls werden
im Rahmen dieses Projektes untersucht und nach
der Reihenfolge ihrer Bedeutung klassifiziert. Die
Entwicklung von intelligenten Soft-Sensoren für
die Vorhersage und Abschätzung des Kantenabfalls
ist dabei ein zentrales Instrument, um Bandkantenprofile zu verbessern.
these phenomena and the mechanisms involved.
Industry is implementing the knowledge gained
in the form of a software sensor which is used
to control the production process in terms of
edge drop and spreading. For this purpose, BFI
has developed an optical traversing measuring
technique that registers the strip edge profile
over the strip length and is installed temporarily
at different locations in the rolling mill. These
measurements help to develop an understanding
of the processes taking place in the strip edge
zone during rolling. A combination of threedimensional models and numerical simulations
is used to analyse the spreading and the profile
of the strip materials. The measurements help to
validate the models. Various actuators for influencing the edge drop are being investigated in the
course of this project and classified according to
their importance. The development of smart soft
sensors to predict and estimate edge drop is a key
instrument in improving the strip edge profile.
Gegenwärtig unterstützt das Messsystem erfolgreich die Erfassung qualitätsrelevanter Banddaten
in Kaltwalzwerken in Deutschland und Frankreich.
Die Installation des entwickelten Soft-Sensors in
The measuring system is currently supporting
the successful acquisition of quality-relevant strip
data in cold rolling mills in Germany and France.
Installation of the developed soft sensor in rolling
Bild / Figure 67
oben: Messbügel zur Messung des Bandkantenprofils, unten: Messwertverlauf der Bandkantenprofils
above: Measuring device for measuring strip edge profile, below: Meassurement of the strip edge profile
78
Walzwerken in Deutschland, Spanien und Schweden
zeigen, dass solche Systeme helfen das Bandprofil zu
optimieren und die Bandbesäumung zu minimieren.
mills in Germany, Spain and Sweden shows that
such systems do help to optimise the strip profile
and minimise the extent of strip edge trimming.
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 zu erforschenden Zusammenhang
zwischen aktuellen Dornstangeneigenschaften und
resultierenden Oberflächendefekten auf der Innenoberfläche nahtloser Rohre. Darüber hinaus soll die
Leistungsfähigkeit (Lebensdauer, Ausbringung) von
Dornstangen durch eine Verbesserung von Dornstangenwerkstoff und Schmierung gesteigert werden.
The aim of the project is the development of a
system for predicting a suitable time-point for
changing the mandrel. This system will be based
on the results of an investigation into the relationship between the mandrel characteristics
at any one time and resulting surface defects
on the inside surfaces of seamless steel tubes.
Furthermore, the performance capability (life,
yield) of mandrels is to be enhanced by improving
the mandrel material and the lubrication.
Hierzu werden sowohl 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 Inneno-
To do this, 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
Bild / Figure 68
Herstellungsprozess nahtloser Rohre (schematisch)
Manufacturing process for seamless tubes (schematic representation)
79
Prozesstechnik | Oberflächentechnik und Stahlveredelung
berfläche nahtloser Rohre, optimiert. Messtechnische
Kampagnen liefern die Daten für die Charakterisierung
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.
Am Ende des Projektes stehen die Entwicklung,
Implementierung und der Test eines Systems zur
Überwachung des Stoßbankprozesses und der
Rohreigenschaften, sowie eine modellbasierte
Prognose über den geeigneten Zeitpunkt zum
Auswechseln der Dornstange.
seamless tubes is being optimised. Measurement
campaigns are being conducted to supply the
data for characterising 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.
The project will be completed by developing,
implementing and testing a system for monitoring
the push-bench process and the tube properties
as well as producing a model for predicting a
suitable time-point for changing the mandrel.
Korrosionsmanagement im Warmwalzwerk
Corrosion management in the hot rolling mill
Stahlknüppel und Brammen sind bei der (Wieder-)
Erwärmung im Walzwerkofen der Hochtemperaturkorrosion ausgesetzt. Diese äußert sich unter
üblichen Erwärmungsbedingungen nach Erdgasverbrennung in erster Linie durch Bildung einer
äußeren Zunderschicht auf der Oberfläche, die
vor der Walzung beseitigt werden muss. Wird
dieser Zunder vor der Warmumformung nicht
vollständig entfernt, entstehen Oberflächendefekte
durch Einpressen. Bei Anhaftungen von Zunderstücken an den Umformwerkzeugen können neben
verschleißbedingten Schäden am Umformwerkzeug
weitere Oberflächendefekte am Werkstück durch
Einprägen des Zunders entstehen.
Steel billets and slabs are exposed to high-temperature corrosion when being heated or reheated in
mill furnaces. Under the usual heating conditions
after combustion of natural gas, this primarily
results in the formation of a layer of scale on the
surface of the stock that must be removed before
rolling. If the scale is not removed completely
before hot forming, residues will be pressed into
the base material and cause surface defects. 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.
Die Ursachen und Mechanismen der Zunderentstehung und der Möglichkeit der Zunderbeseitigung
durch Entzunderer sind weitestgehend bekannt
oder zumindest erprobt und betrieblich eingesetzt.
Eine geordnete und strukturierte Qualitätsregelung
im Hinblick auf die Restzunderproblematik unter
Einbeziehung der Erwärmungsverläufe, der eingesetzten Werkstoffe, der Entzunderungsverfahren
bzw. brammenlogistische Strategien fehlen bislang
im betrieblichen Einsatz.
Im Rahmen eines Forschungsvorhaben wurde
deshalb u.a. eine strukturierte Vorgehensweise
zur Beherrschung der unerwünschten Zundereinflüsse beschritten. Dabei wurde die Anwendungstauglichkeit des Korrosionsmanagements getestet
und die Einsatzmöglichkeiten der Bildanalyse im
Zusammenspiel mit der optischen und InfrarotRestzunder-Aufzeichnung und Restzunderanalyse
demonstriert.
The causes and mechanisms of scale formation
have been extensively explored and the possibility
of removing the scale by means of descalers has
been at least tested and used in practice. Up till
now, however, there has been no systematic and
structured quality approach to the residual scale
problem spanning the heating procedures, the
materials used, the descaling techniques, and
the strategies for slab logistics.
80
In the course of a research project, a structured
approach to controlling the undesired effects
of scale was therefore envisaged. This involved
testing the applicability of corrosion management
and the possibilities of using image analysis in
combination with optical and infrared residual
scale detection and analysis.
Process | Surface Technology and Finishing
Herzstück des Korrosionsmanagements ist eine
Analyseprozedur bestehend aus Zunderdetektion und einer Programmanwendung zur Restzunderanalyse. Damit wird eine werkstoff- und
verfahrensspezifische quantitative Auswertung
der Restzunderausprägung zur Qualitätssicherung
von Warmband ermöglicht.
The core of the corrosion management strategy
is an analytical procedure consisting of scale detection and a software application for analysing the
residual scale. This enables quantitative evaluation
of the residual scale characteristics in relation
to the specific material and processes involved,
contributing to the quality assurance of hot strip.
Senkung ungewollter Randentkohlung bei der
Erwärmung und Wärmebehandlung von MetallNutzgütern
Reducing unwanted surface decarburisation
in metal products during reheating and heat
treatment
Ständig steigende Anforderungen an Produktqualität und Wirtschaftlichkeit erfordern bei der
With steadily rising demands being made on
product quality and cost-efficiency, the produc-
Bild / Figure 69
Prototyp einer Rotorentzunderungsanlage zur Prüfung und Validierung von Entzunderungsprozessen zur Beseitigung von Restzunder unmittelbar
nach der Primärentzunderung als Bestandteil des Korrosionsmanagements
Prototype of a rotor descaling machine for testing and validation of descaling processes for removing residual scale immediately after primary
descaling as an integral part of corrosion management
Bild / Figure 70
Qualitative Bewertungen nach Zundertyp und quantitative Auswertungen zu Restzundererscheinungen auf dem Walzgut mittels CCD-Aufzeichnungen und Restzunderanalysen mit MATLAB-basiertem Analyseprogramm
Qualitative assessments according to scale type and quantitative evaluations of residual scale on the rolling stock with the aid of CCD recordings
and residual scale analyses using a MATLAB-based analytical program
81
Herstellung hochwertiger Metallerzeugnisse
eine immer genauere und ressourceneffizientere
Wärmebehandlung zur Einstellung der geforderten
qualitätsrelevanten Materialeigenschaften. Die
unerwünschte Randentkohlung, aber auch die
Oxiddeckschichtbildung der Nutzgüter ist dabei
eine negative Begleiterscheinung der Wieder- und
Nacherwärmung im Rahmen der Wärmebehandlung, die zu einer Verschlechterung bzw. Schädigung
der Oberflächenqualität führt.
tion of high-quality metal products calls for ever
more precise and resource-efficient heat treatment
to adjust the required quality-relevant material
properties. Decarburization and oxidation at the
surface of the products are two undesired sideeffects of reheating and post heating during heat
treatment which cause the surface quality to
deteriorate.
Ziel laufender Arbeiten ist die Entwicklung eines
neuartigen Entkohlungsmodells als Herzstück eines
neuen Simulationswerkzeuges, das die Entkohlungstiefenverläufe der Nutzgüter direkt von den tatsächlich herrschenden Wärmebehandlungsbedingungen,
d. h. aus Partialdruck- und Temperaturmessungen
im Wärm- bzw. Wärmebehandlungsofen, jederzeit
berechnet. Korrosionsuntersuchungen im Betrieb
und im Labor sowie metallografische Analysen
schaffen hierfür die notwendige Datenbasis für
die Simulation der Korrosionskinetik. Durch die
Kenntnis der Entkohlungstiefenverläufe für alle
Nutzgüter können die Produktionsabläufe, die
Materialeinsatzplanung und die Prozessführungsstrategien bei der Wärmebehandlung optimiert
werden. Die einzelnen Nutzgüter werden somit
genauer bedarfsgerecht wärmebehandelt.
The aim of ongoing work is to develop a novel
kind of decarburisation model as the core of a
new simulation tool which will make it possible
to compute decarburisation depth profiles for the
products directly from the heat treatment conditions prevailing at any time, i.e. partial pressure
and temperature measurements in reheating and
heat treatment furnaces. Corrosion studies under
mill operating conditions and in the laboratory, as
well as metallographic analyses will establish the
necessary data basis for simulating the corrosion
kinetics. Gaining knowledge of the decarburisation
depth profiles of all the charged materials will
help to optimise production sequences, product
logistics and process management strategies during
heat treatment. As a result, the stock will be heat
treated more precisely according to the specific
needs.
This will create a tool that is fit for industrial
use and can be used in any heat treatment facility.
It will permit much more precise planning of
surcharges for heat treatment as well as tailoring
of heat treatment specifically for the stock being
treated. This will improve product quality while
using less resources as well as reducing the risk
of variations in quality. The new simulation
tool can be used for a large variety of different
reheating and heat treatment furnaces and for a
broad range of steel grades, such as ball bearing
steel, quenched and tempered steel, forging steel
and spring steel alloys.
Es wird damit ein praxistaugliches und in Wärmebehandlungsbetrieben universell einsetzbares Instrument geschaffen. Damit sind sowohl eine wesentlich
exaktere Planung der Bearbeitungszuschläge für die
Wärmebehandlung als auch eine nutzgutspezifische
Wärmebehandlung möglich. Es wird eine höhere
Produktqualität bei vermindertem Ressourceneinsatz und geringerem Risiko von Qualitätsschwankungen erreicht. Das neue Simulationswerkzeug ist
universell für eine Vielzahl von unterschiedlichen
Wärm- bzw. Wärmebehandlungsöfen und für eine
breite Auswahl von Stahlqualitäten, wie Wälzlager-,
Vergütungs-, Schmiedestahl und Federstahllegierungen, einsetzbar.
Entwicklung und Einsatz von
Zunderschutzschichten zur Verringerung
von Hochtemperaturkorrosion
Development and use of anti-scale coatings to
reduce high-temperature corrosion
Durch Hochtemperaturkorrosion bei der Wiedererwärmung von Stahl vor Warmumformprozessen
entsteht an der Oberfläche der Rohteile Zunder. Der
Materialverlust durch die Zunderbildung verursacht deutliche wirtschaftliche Verluste. Wird der
Zunder außerdem vor der Warmumformung nicht
High-temperature corrosion during the reheating
of steel before hot forming processes causes scale
to form on the surface of the raw parts. The loss of
material due to scale formation results in considerable economic losses. Moreover, if the scale is not
removed completely before hot forming, surface
82
vollständig entfernt, entstehen Oberflächendefekte
durch Einpressen nicht entfernter Zunderstücke.
Bei Anhaftungen von Zunderstücken an den
Umformwerkzeugen können neben verschleißbedingten Schäden am Umformwerkzeug weitere
Oberflächendefekte am Werkstück durch Einprägendes Zunders entstehen.
defects will arise due to residual scale being pressed
into the base material. 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 forming stock as
the scale becomes impressed there.
Bild / Figure 71
Rundblöcke bei der Wiedererwärmung in einem Chargenofen
Round ingots during reheating in a batch furnace
Bild / Figure 72
Anwenderoberfläche des Korrosionsprogramms zur simultanen Berechnung der Korrosionsvorgänge aus Deckschichtverzunderung und Randentkohlung
User interface of the corrosion program for simultaneous computation of corrosion processes due to scale formation and surface decarburisation
83
In einigen Anwendungen werden für die kurzzeitige Erwärmung von Stahlrohteilen (z.B. bei der
Induktiverwärmung) diffusionsdichte Beschichtungen eingesetzt, die bis 950 °C eine zundermindernde Wirkung aufweisen. Es gibt jedoch
derzeit keine verfügbare Beschichtung, die den
Bedingungen von Wärmofen in Walzwerken oder
Freiformschmieden mit Temperaturen von über
1200 °C und Liegezeiten von mehreren Stunden
standhält.
In some applications where raw steel parts are
preheated briefly (e.g. by induction heating),
diffusion-tight coatings are used which have
a scale-reducing effect up to a temperature of
950 °C. However, up to now there has been no
coating capable of withstanding the conditions
in reheating furnaces in steel mills or open-die
forging facilities with temperatures of over
1200 °C and holding times of several hours.
Im Rahmen verschiedener Forschungsvorhaben
werden die Anwendungstauglichkeit verschiedener
diffusionsdichter Beschichtungen für die Verminderung der Hochtemperaturkorrosion untersucht.
Außerdem erfolgt eine Weiterentwicklung dieser
Beschichtungen auf Basis der Untersuchungsergebnisse. Für die Entwicklung zundermindernder
Beschichtungen werden Ansätze auf Basis von
anorganisch-/ mineralischen Beschichtungen
und (mikro- bzw. nano-) partikeladditivierten
Beschichtungen verfolgt.
The suitability of various diffusion-tight coatings
for reducing high-temperature corrosion is being
investigated in a number of different research
projects. These coatings are also being further
developed on the basis of the research findings. For
the development of these scale-reducing coatings,
the approaches being pursued include inorganic/
mineral coatings and (micro- or nano-) particle
additive coatings.
Weiterhin sollen die genannten Beschichtungen
nicht nur die Verzunderung der Stahlrohteile
verringern sondern auch die Adhäsionseigenschaften des Zunders beeinflussen (Beschichtungen
zur Konditionierung von Zunder).
Furthermore, with these coatings the intention
is not only to reduce scale formation on the raw
steel parts but also to influence the adhesion
properties of the scale itself (scale conditioning
coatings).
Bild 73 zeigt die Ergebnisse verschiedener Untersuchungen an Kohlenstoffstählen und höherlegierten
Stählen. Es wurden unterschiedliche Beschichtungen auf Basis von anorganisch-mineralischen
Fig. 73 shows the results of different studies on
carbon steels and higher-alloyed steels. Different
coatings based on inorganic mineral substances
and coatings with (micro- or nano-) particle addi-
Bild / Figure 73
Ergebnisse der Laboruntersuchungen für verschiedene Kohlenstoffstähle (links) und höherlegierte Stähle (rechts) bei Einsatz verschiedener
Beschichtungen und unterschiedlichen Glüh- und Wärmtemperaturen
Results of laboratory experiments with various carbon steels (left) and higher-alloy steels (right) for different coatings and different annealing
and reheating temperatures
84
und (mikro- bzw. nano-) partikeladditivierten
Beschichtungen bei einer Glühtemperatur von
800 °C und Wärmtemperaturen von 1000 und 1250
°C untersucht. Es ist zu erkennen, dass bei den Haltezeiten von 90 Minuten bzw. 30 Minuten die Zunderbildung je nach Stahlsorte und Beschichtung um
40 bis 60 % verringert werden konnte.
Abhängig von der Beschichtung und der Stahlsorte ist der gebildete Zunder stark adhäsiv, so
dass weiterführende Untersuchungen sich vor
allem mit Auf klärung der Zundermorphologie,
dem Einfluss von Legierungsbestandteilen und den
Wechselwirkungen mit Beschichtungsbestandteilen
auf Zunderwachstum und den weiteren Grenzschichteffekten befassen werden.
tives were studied at an annealing temperature of
800 °C and reheating temperatures of 1000 and
1250 °C. It can be seen that, for holding times of
90 minutes and 30 minutes, scale formation has
effectively been reduced by 40 to 60 % depending
on the steel grade and the coating.
Depending on the coating and the steel grade,
the scale formed is strongly adhesive, so that
further studies will concentrate above all on
investigating the scale morphology, the influence on scale growth of the alloying components
and their interaction with coating constituents,
as well as on further interface effects.
Minimierung der Enegieverluste beim Warmwalzen mit Hilfe von „Intelligent Manufacturing“
Minimising Energy Loss in hot Rolling by
intelligent Manufacturing
Die Energieverluste nach den Wärmaggregaten
beim Warmumformprozess können nicht vernachlässigt werden, da diese mit über 50 % der Gesamtenergieverluste eine bedeutende Größe darstellen.
Die Verluste der Sekundär- und Hilfssysteme setzen
sich vornehmlich aus elektrischer Energie in den
Gerüsten, Entzunderungsanlagen und Kühlungen
zusammen. Zusätzlich entstehen Energieverluste
durch ungenutzte Wärmeabstrahlung. Eine umfassende Untersuchung und Bilanzierung vom Ofen
bis zu den Abkühlzonen ist bislang noch nicht
durchgeführt worden. Die Ziele des laufendes
Forschungsvorhabens sind die:
The energy losses downstream of the reheating
furnaces in hot forming processes cannot be
ignored as they account for more than 50% of
the overall energy losses. The losses from the
secondary and auxiliary systems are mostly electrical losses from the mill stands, descaling plants
and cooling systems. Additional energy losses
occur in the form of unused radiated heat. Until
now there has been no comprehensive investigation and recording of the energy balances from
the furnace to the cooling zones. The objectives
of the current research project are:
– Definition des Energieflusses beim Warmwalzen
– Verminderung des Energieverbrauchs beim
Warmwalzen
– Rückgewinnung thermischer und elektrischer
Energie beim Warmwalzen
– to define the energy flows during hot rolling
– to reduce energy consumption during hot
rolling
– to recover thermal and electrical energy
during hot rolling
durch intelligente Prozessführung und Innovationen für die Walzwerkstechnologie: Einsatz von
energieeffizienten Technologien, auslastungsgesteuerter Produktions- und Prozessgrößen und
optimierte Stich- und Walzpläne sowie Verfahren
zur Wärmerückgewinnung.
through intelligent process management and
innovations for rolling mill technology. These
include the use of energy-efficient technologies,
capacity-controlled production and process variables, and optimised pass and rolling schedules,
as well as heat recovery techniques.
An ausgewählten Produktgruppen der Mannstaedt
GmbH wurden die energetischen Einflussgrößen in
Abhängigkeit vom Produktionsprozess vom Ofen
bis hin zum Kühlbett erfasst. Energieeintrag in
das Walzgut, Umformarbeit, Wärmeabfuhr über
die Walzen und das Kühlwasser sowie Energieeinsatz zum Transport des Kühlwassers wurden
The energy-related influencing variables were
recorded for selected product groups at Mannstaedt
GmbH as a function of the production process from
the furnace to the cooling bed. The studies covered
the aspects of energy input into the rolling stock,
forming work, heat dissipation via the rolls and
the cooling water, and energy required to transport
85
hierbei berücksichtigt. Diese bilden die Grundlage
für eine energetische Optimierung des Prozesses.
Verschiedene Maßnahmen wie der gezielte Schmiermitteleinsatz zur Verminderung der Walzkräfte,
Kaliberfixierung der Kühlung sowie die Rückgewinnung der eingetragenen Wärme in das Kühlwasser
und Restwärmenutzung des Walzgutes sind in der
ersten Projekthälfte untersucht und bilanziert
worden.
the cooling water. The recorded data serve as the
basis for optimising the energy efficiency of the
process. In the first half of the project, various
measures were studied and balances drawn up,
e.g. targeted use of lubricants to reduce rolling
forces, roll groove-adapted cooling regimes, as
well as recovery of the heat introduced to the
cooling water and use of the residual heat in the
rolling stock.
Während der Schmiermitteleinsatz, neben der
Verschleißminderung, nicht wie beim Warmbreitbandwalzen auch zur einer messbaren Verminderung der Walzkräfte führt und eine Rückgewinnung
der Wärme aus den Kühlkreisläufen aufgrund der
geringen Temperaturdifferenzen und –niveaus nicht
aussichtsreich erscheint sind Strategien zur gezielten
Verminderung des Kühlwassereinsatzes und der
damit verringerten Volumenströme gekoppelt mit
einer Verringerung der notwendigen Pumpkapazität
aussichtsreicher.
While lubricant usage does reduce wear, it does
not lead to a measurable reduction in rolling forces
as it does in hot wide strip rolling. Recovery of the
heat from the cooling circuits also does not seem
very rewarding because of the low temperature
differentials and levels. Conversely, strategies
for targeted reduction of cooling water input
resulting in smaller volumetric flow rates and a
reduction in the required pumping capacity do
seem to offer more potential.
Studie zur Leistungsfähigkeit innovativer und
umweltfreundlicher Schmiermittel für das Warmwalzen von Profilen zur Standmengenerhöhung
der Walzen und Verbesserung der Produktqualität
Study of the performance capability of innovative and environmentally friendly lubricants for
hot rolling of sections to prolong roll life and
improve product quality
Beim Warmwalzen von Profilen kommt es
aufgrund der thermischen und mechanischen
Belastung zu hohen Verschleißraten an den
Walzen. Besonders in Kaliberbereichen mit höheren
The rolls used for hot rolling of sections are
subjected to heavy wear as a result of thermal and
mechanical stresses. Wear is especially pronounced
in the roll groove zones with high reduction
Bild / Figure 74
Kaliberfixierung der Vorgerüstkühlung beim Langproduktwalzen
Roll groove-adapted cooling regimes in the roughing stand for long
product rolling
86
Bild / Figure 75
Verfahrensschema für einen Thermogenerator
Working principle of a thermoelectric generator
Umformgraden kommt es zu Verschleißspitzen
und damit zu starkem mechanischen Abrieb und
Oberflächenzerrüttung. Dies führt zur Qualitätsminderung und Toleranzabweichungen bei den
Profilen. Zusätzlich zu der mechanischen Belastung
erhöhen die hohen Temperaturen die Reaktivität
der Werkzeugoberflächen und es kommt in Folge
von Adhäsion vermehrt zu Materialanhaftungen.
Daraus resultieren häufigere Walzenwechsel,
wodurch Rüstzeiten bzw. Stillstandszeiten und
Werkzeugkosten deutlich erhöht werden.
Zur Verbesserung des Warmumformprozesses
werden oftmals komplexe, ölhaltige Schmiermittel
eingesetzt. Aus Gründen der Arbeitssicherheit
sind ölhaltige Schmiermittel insbesondere bei
der Warmumformung kritisch zu bewerten. Als
Alternative zu den ölhaltigen Schmiermitteln sind
verschiedene wassermischbare, ölfreie Schmiermittel verfügbar. Aktuell fehlen aber noch beim
Warmprofilwalzen vergleichende Studien und Erfah-
ratios, resulting in strong mechanical abrasion
and surface degradation. This leads to diminished
quality and out-of-tolerance conditions in the
sections. In addition to the mechanical loads,
the high temperatures increase the reactivity of
the tool surfaces, causing adhesion and sticking
of material. This results in more frequent roll
changes, with significantly longer set-up and
downtimes and a significant increase in tooling
costs.
To improve the hot forming processes, complex
oil-containing lubricants are often used. For occupational safety reasons, oil-containing lubricants
are to be viewed critically, especially in hot forming
operations. There are a number of water-miscible,
oil-free lubricants available as alternatives to their
oil-containing counterparts.Currently, however,
there are still no comparative studies and experiences for hot section rolling which would allow
Bild / Figure 76
Einfluss der Schmiermittelauswahl (links) und der Applikation (rechts) auf das Drehmoment
Effect of lubricant selection (left) and application (right) on the torque
Bild / Figure 77
Standmengenerhöhung durch gezielte Schmiermittelauswahl und -applikation
Extension of tool life through targeted lubricant selection and application
87
rungen, die in Abhängigkeit der Walzparameter
eine gezielte Auswahl und Bewertung geeigneter
ölfreier Schmiermittel ermöglichen. Im Rahmen
dieses Forschungsvorhabens konnten hierzu wichtige
Kenntnisse aus Technikums- und Betriebsversuchen
gesammelt werden. Insbesondere die Temperaturbeständigkeit und Trennfähigkeit der Schmiermittel
wurden im Hinblick auf die Schmierleistung und
Standmengenerhöhung untersucht.
targeted selection and assessment of suitable
oil-free lubricants as a function of the rolling
parameters. In the course of this research project,
important information was gathered from tests
in the technical centre laboratory and in real-life
industrial conditions. Factors of particular interest
were the temperature resistance and release properties and hence the lubricant performance and
ability to prolong tool life.
Für die Durchführung der Technikumsversuche
wurden die relevanten Parameter (Temperatur,
Relativgeschwindigkeit) zunächst aus Betriebsprozessen bestimmt und so die Versuchsparameter für
die Untersuchung der Schmiermittel definiert. Die
Versuche wurden unter repräsentativen Bedingungen
an 6 verschiedenen Schmiermitteln (SM1-SM6) durchgeführt. Als Kriterium für die Schmiermittelwirksamkeit wurde dabei die Drehmomentsreduzierung
als direkte Folge des eingesetzten Schmiermittels
und der Schmiermittelapplikation auf die Reibkraft
gewählt. Die Versuchsergebnisse zeigen unter gleichen Versuchsbedingungen deutliche Unterschiede
in der Wirksamkeit der untersuchten Schmiermittel
und Applikationsmethoden, siehe Bild 76. Die Wirksamkeit der untersuchten Schmiermittel variiert
zwischen 7 % bis 50 % Drehmomentsreduzierung,
als direktes Maß für die Reibkraftminderung. Der
Einfluss der Applikation auf die Wirksamkeit, d.h.
dem Aufbringen der Schmiermittel auf das Walzgut
(OW), in den Walzspalt (Spalt) oder auf die Walze
(UW), liegt für die Mittelwerte bei 25% (UW), 36%
(Spalt) und 40% (OW).
Um die Ergebnisse aus den Technikumsversuchen zu
verifizieren und die Leistungsfähigkeit der Schmiermittel und der Applikation unter betrieblichen Bedingungen zu testen, wurden produktionsbegleitend
Schmierversuche bei einem Werkspartner durchgeführt. Das Ziel der Betriebsversuche war die Erhöhung
der Standmengen durch die Auswahl und den Einsatz
geeigneter Schmiermittel und deren optimierter
Applikation. Hierzu wurden in 3 Versuchsreihen
unter Betriebsbedingungen zwei auf der Technikumsanlage voruntersuchte Schmiermittel eingesetzt und
der Einfluss der Schmiermittelaufbringung in den
Walzspalt und auf die Profiloberflächen verglichen.
Da bereits in den Technikumsversuchen die beiden
leistungsfähigsten Schmiermittel identifiziert wurden,
konnte unter Betriebsbedingungen kein Unterschied
festgestellt werden. Die Standmengerhöhung in
Abhängigkeit der Schmiermittelapplikation lag im
Mittel mit 4% für Walzspaltschmierung und 21%
für die Profilschmierung deutlich über den nicht
geschmierten Standmengen, siehe Bild 77.
Before the tests were run in the technical centre,
the relevant parameters (temperature, relative
velocity) were determined from the industrial
environments in order to define the test parameters
for studying the lubricants. The tests were carried
out on 6 different lubricants (SM1-SM6) .under
representative conditions The criterion selected
for judging the effectiveness of the lubricant
was the reduction in torque as a direct consequence of the reduction in frictional force due
to the lubricant used and the way it is applied.
The test results showed that, under the same test
conditions, there were major differences in the
effectiveness of the lubricants studied and the
application methods, see Fig. 76. The performance
of the lubricants studied varied between a 7% and
a 50% reduction in torque, as a direct measure of
the reduction in frictional force. The influence of
the application method on the effectiveness, i.e.
application of the lubricant to the rolling stock
(OW), into the roll gap (Spalt) or to the roll (UW)
averaged 25% (UW), 36% (Spalt) and 40% (OW).
88
In order to verify the results from the technical
centre tests and to test the performance of the
lubricants and the application method under industrial conditions, lubricant tests were performed in
an operational situation at an industrial partner.
The aim of the industrial tests was to prolong the
tool life by selecting and using suitable lubricants
with appropriately optimised application methods.
Three test series were therefore conducted under
operational conditions, using two lubricants
that had been previously tested in the technical
centre, to test the effects of lubricant application into the rolling gap and onto the section
surface. Since the tests in the technical centre
had already identified the two best performing
lubricants, the tests under operational conditions
did not reveal any differences. The extension of
tool life as a function of lubricant application
point was an average of 4 % with lubrication in
the rolling gap and 21 % with lubrication of the
section, and thus significantly higher than the
figures without lubrication, see Fig. 77.
Erhöhung der Performance beim Kaltwalzen durch
neue Schmiermittel und innovative Arbeitswalzenkonzepte
Increase of cold rolling performance by new
lubricant and innovative work roll concepts
Ziel des Forschungsvorhaens war die Auswahl
und Untersuchung neuer Schmiermittelkonzepte
sowie neuartiger Beschichtungskonzepte für die
Arbeitswalzen beim Kaltwalzen von Kohlenstoffstählen sowie Warmwalzen von Aluminium. Neben
polymer- und glykolbasierten Schmierstoffen ist der
Einsatz von nanoskalierten Feststoffen als Additivzusatz in konventionellen Schmierstoffen untersucht
worden. Zur Verifizierung der Laborergebnisse
sind intensive Pilotversuche durchgeführt und
erste industrielle Anwendungen realisiert worden.
Der Einsatz von ausgewählten Nanopartikeln als
Additivkomponente in konventionellen Schmierstoffen zeigt bei MoS2- oder WS2-Partikeln eine
verbesserte Kraftübertragung sowie eine verminderte Reibung im Vergleich zum konventionell
additivierten Schmierstoff. Die dauerhafte Stabilisierung sowie die schwer zu kontrollierenden
Verbreitungswege limitieren zur Zeit allerdings
den großtechnischen Einsatz von nanoskaligem
Material. Bei den Beschichtungssystemen konnte
vielversprechende TiHfCrN-PVD-Beschichtungen
untersucht werden, die eine sehr gute Substrat-
The aim of the research project was the selection and investigation of new lubricant concepts
and novel coating concepts for work rolls in the
cold rolling of carbon steels and the hot rolling
of aluminium. In addition to polymer and glycolbased lubricants, the use of nanoscale solids as
additives in conventional lubricants was also
studied. To verify the laboratory results, intensive
pilot tests were performed and the first industrial
applications were implemented.
The use of selected nanoparticles as additives
in conventional lubricants revealed that with
MoS2 or WS2 particles, there was an improvement in force transmission and a reduction in
friction compared to lubricants with conventional
additives. However, the question of long-term
stabilisation and the fact that the distribution
channels are difficult to control are currently
limiting the use of nanoscale materials on an
industrial scale. Regarding the coating systems,
promising TiHfCrN PVD coatings have been studied
which exhibit very good adhesion to substrates
and have a high resistance to wear. Before they
Bild / Figure 78
Bild / Figure 79
PAG mit Fremdöl und Feinstpartikeln
PAG with tramp oil and microfine particles
Quarto-Gerüs-Auslauf der Fa Bilstein
4-high mill stand exit side at Bilstein
89
haftung sowie eine hohe Verschleißbeständigkeit
aufzeigten. Vor einem industriellen Einsatz sind
die Wechselwirkungen mit dem Schmierstoff sowie
der Einfluss auf das Band noch zu präzisieren.
Erste Industrieversuche an einem Quartogerüst,
Bild 79, zeigten bei Abnahmen von bis zu 20 % eine
vergleichbare Performance und Oberflächenqualität wie bei dem bislang verwendeten ölbasierten
Schmierstoff. Der anschließende Glühprozess zeigte
keine Auffälligkeiten sowie keinerlei Korrosionserscheinungen im ungeglühten Coil.
Der Einsatz von Polyalkylenglykolen (PAG) zeigte
sehr gute Ergebnisse in den Labor- und Pilotversuchen. Die getesteten Produktvarianten weisen
zum Teil bessere tribologische Eigenschaften als die
konventionell eingesetzten Emulsionsbildner auf.
Auch ist die Rückstandsbildung im Prozess und auf
den Bandoberflächen gering und auf die weitere
Verarbeitung bislang ohne erkennbaren Einfluss.
Auch sind die Pflegeeingenschaften der PAG deutlich
vereinfacht (Einphasensystem PAG-Schmiermittel mit
aufschwimmenden Fremdöl mit Feinabrieb, Bild 78
und die damit verbundenen Schmiermittelverluste
deutlich vermindert. So sind Einsparungen von über
50% bei der Schmiermittelpflege, Ergänzung der
Schmiermittelverluste und Entsorgung möglich.
In Pilotwalzversuchen ist das Verhalten unterschiedlicher Schmiermittel während einer Stichabnahme auf einem nierdiglegiertem C-Stahl untersucht worden. In insgesamt 4 Stichen wurde das
can be used industrially, their interactions with
the lubricant and their effect on the strip still
have to be investigated more closely.
The first industrial trials on a four-high mill
stand, Fig. 79, with reduction rates of up to 20%
returned a comparable performance and surface
quality as the oil-based lubricant that had been
used previously. The subsequent annealing process
showed no anomalies and there were no corrosion
phenomena at all in the unannealed coil.
The use of polyalkylene glycols (PAG) showed
very good results in laboratory tests and pilot
trials. The tested product variants in some cases
showed better tribological properties than the
conventionally used emulsion. Moreover, the
build-up of residues in the process and on the strip
surface is low and does not have any detectable
effect on downstream processing. PAGs are also
significantly easier to maintain (single-phase PAG
lubricant system with floating tramp oil with
fine abraded particles, Fig. 78, which considerably reduces the lubricant losses. Savings of over
50% on lubricant maintenance, replenishment
of lubricant losses, and disposal costs are thus
possible.
In pilot rolling tests, the behaviour of different
lubricants was studied during one reducing pass
campaign with a lower-alloyed carbon steel.
In a total of 4 passes, the strip thickness was
reduced from 2 mm to 0.24 mm with an average
Bild / Figure 80
Vorauseilung der dritten Stichfolge für drei ausgewählte Schmierstoffe (2PAG, 1 recyclete Ölbasis)
Forward slip in the third pass for three selected lubricants (2 PAGs, 1 recycled oil-based)
90
Material von 2 mm auf 0,24 mm Banddicke reduziert bei durchschnittlich 30-40% Reduktion. Die
ermittelte Vorauseilung im dritten Stich ist in
Bild 80 zu sehen. Die PAG C1Pf und H4P2t zeigen
einen geringere Vorauseilung und geringeren
Krafteinsatz als die Referenzkampagnen (nicht
im Bild, C2Oa ist ein Emulsionsbildner auf Basis
eines recycleten Öls).
Weiterer Forschungsbedarf mit Potential zur
industriellen Implementierung der PAG ist gegeben
und soll in einem folgenden Forschungsvorhaben
weiter untersucht werden.
reduction rate of 30-40%. The forward slip that
was determined in the third pass can be seen in
Fig. 80. The PAGs C1Pf and H4P2t show a lower
rate of forward slip and lower required force than
the reference campaigns (not shown; C2Oa is an
emulsion based on a recycled oil).
Further research will be needed into PAGs with
the potential for industrial implementation and
this research is to be continued in a follow-on
project.
Einsatz nanoskalierter Additive in grafit- und
ölfreien Schmiermitteln für das Gesenkschmieden
Use of nanoscale additives in graphite- and oilfree lubricants for die forging
Bei Warmgesenkschmieden verhindern Schmiermittel die Materialadhäsion und verringern die
Reibung zwischen Werkstück und Gesenk. Die
Reibung und die Adhäsion beeinflussen unter
anderem die Formfüllung, den mechanischen
Verschleiß der Gesenke und die notwendige Umformarbeit. In vielen Umformprozessen wird zudem
der Schmiermittelauftrag mit einer Kühlung des
Gesenks kombiniert.
In hot die forging, lubricants prevent the material
from adhering and reduce the friction between
the workpiece and the die. Friction and adhesion
exert an influence on, among other things, the
filling of the die shape, mechanical wear on the
die, and the necessary forming work. In many
forming processes, the application of lubricant
is also combined with cooling of the die.
Bezüglich Reibungsminderung und Trennwirkung
weisen grafit- und ölhaltige (schwarze) Schmiermittel deutliche Vorteile gegenüber alternativen
Schmiermitteln auf. Allerdings führen sie zu einer
starken Belastung der Wasserkreisläufe und der
Arbeitsplatzatmosphäre, wodurch Pflegeaufwand
und Instandhaltungskosten steigen.
Bei Gesenkschmiedeprozessen mit geringeren
Anforderungen bzgl. Umformgrad, Taktzeit und
Oberflächenqualität (z. B. gratbehaftet) können heute
bereits zum Teil grafit- und ölfreie (weiße) Schmiermittel verwendet werden, die auf Polymeren, Salzen
oder organischen Verbindungen basieren. Sind die
Reibungsminderung und Trennwirkung ausreichend,
können die nachteiligen Eigenschaften grafithaltiger
Schmiermittel vermieden werden. Dagegen müssen
bei langen Fließwegen, hohen Umformgraden,
hohen Temperaturen und kurzen Taktzeiten, wie
sie bei Gesenkschmiedeprozessen häufig vorliegen,
meist schwarze Schmiermittel eingesetzt werden.
In diesen Prozessen erreichen weiße Schmiermittel
noch nicht die Leistungsfähigkeit gängiger grafithaltiger Schmiermittel.
Erste Untersuchungen mit nanoskalierten Feststoffen in Schmiermitteln zeigen ein hohes Potential
bezüglich Reibungsminderung und Verschleißverhalten. Diese Ergebnisse beziehen sich auf
When it comes to reducing friction and having a
mould-release effect, graphite- and oil-containing
(black) lubricants present distinct advantages
over other kinds of lubricants. However, they do
put a heavy burden on the water circuits and the
workplace air quality and drive up the maintenance and repair cost and effort.
In die forging processes with low requirements
regarding degree of deformation, cycle times
and surface quality (e.g. the presence of burrs
is accepted), it is already possible today in some
cases to use graphite- and oil-free (white) lubricants based on polymers, salts or other organic
compounds. As long as the friction-reducing and
anti-adhesion effects are adequate, this gives
users an opportunity to avoid the drawbacks of
graphite-containing lubricants. Nevertheless,
for long material flow paths, high degrees of
deformation, high temperatures and short cycle
times, such as are frequently found in die forging
processes, the most common practice is to use
black lubricants as the white lubricants have not
yet reached the same performance capability as
the graphite-containing varieties.
Initial studies with nanoscale solids in lubricants have revealed a high potential with
regard to reducing friction and improving wear
91
Prozesse der Kaltumformung. Aufgrund der hohen
thermischen Belastung in der Warmumformung
lassen sich diese Ergebnisse nicht auf Prozesse der
Warmumformung übertragen. Daher wurde im
Rahmen eines geförderten Forschungsprojekts
untersucht, ob durch Verwendung nanoskalierter
Additive der Einsatzbereich weißer Schmiermittel
beim Warmgesenkschmieden erweitert werden
kann. Ziel dieses Forschungsvorhabens war die
Leistungssteigerung von Schmiermitteln für Prozesse
der Warmmassivumformung durch Zugabe von
nanoskalierten Additiven.
behaviour. These results were obtained in cold
forming processes. Because of the high thermal
loads involved in hot forming, the results are not
transferrable to hot forming processes. Consequently, the aim of a funded research project
was to investigate whether the use of nanoscale
additives could broaden the range of applications
of white lubricants in hot die forging. The objective was to increase the performance capability of
lubricants for hot massive forming by enhancing
them with nanoscale additives.
Um das Potential der nanoskalierten Additive zu
untersuchen, wurden drei unterschiedlich wirkende
Additive (Aluminiumoxid Al2O3, hexagonales Bornitrid hBN und Kohlenstoffpelets CNF) ausgewählt.
Deren Einfluss auf das Schmiermittel wurde für
zwei grafitfreie Schmiermittel der Warmmassivum-
To study the potential of the nanoscale additives, three additives with different effects were
chosen (aluminium oxide Al2O3, hexagonal boron
nitride hBN, and carbon pellets CNF). Their effect
on the lubricant performance was determined
for two graphite-free lubricant types which had
Bild / Figure 81
oben: Leistungssteigerung durch Zugabe von Nano-Additiven, unten: Einfluss der Nano-Additive auf Produkt- und Prozessgrößen
above: Performance enhancement through nano-additives, below: effect of nano-additives on product and process variables.
92
formung bestimmt, die aus einer repräsentativen
Gruppe von fünf aktuell eingesetzten Schmiermitteln ausgewählt wurden. Die Auswahl erfolgte
anhand von Technikumsversuchen, in denen deren
tribologische Leistungsfähigkeit untersucht wurde.
Das grafitfreie Schmiermittel Grafitfrei 2 zeigte
dabei die beste Wirksamkeit gefolgt von Schmiermittel Grafitfrei 1.
been selected from a representative group of five
lubricants currently used in hot massive forming.
Selection was done based on service laboratory
tests which looked at their tribological performance. The graphite-free lubricant “Grafitfrei
2” showed the best performance, followed by
the lubricant “Grafitfrei 1”.
Die Technikumsversuche zeigen einen deutlichen
positiven Einfluss der nanoskalierten Additive auf
die Leistungsfähigkeit der grafitfreien Schmiermittel.
The service lab tests showed that the nanoscale
additives had a pronounced positive effect on
the performance of the graphite-free lubricants.
In drei unterschiedlichen Schmiedebetrieben
wurde die Leistungsfähigkeit der ausgewählten
Schmiermittel-Additiv-Kombinationen untersucht.
Die Ergebnisse der Industrieversuche bestätigen
die Technikumsergebnisse und die Leistungssteigerung grafitfreier Schmiermitteln durch den
Einsatz nanoskalierter Additive, Bild 81 Das in
Technikumsversuchen wirksamere Schmiermittel
Grafitfrei 2 zeigte insgesamt in den Versuchen eine
geringe Steigerung, bei dem weniger wirksamen
Schmiermittel Grafitfrei 1 konnte daher eine deutliche Leistungssteigerung erreicht werden.
The performance capability of the selected
lubricant-additive combinations was then studied
in three different forging enterprises. The results
of the industrial tests confirmed the service laboratory findings regarding the improved performance capability of graphite-free lubricants after
enhancement with nanoscale additives, Fig. 81.
The Grafitfrei 2 lubricant, which had proved
more effective in the service lab tests, showed
a minor improvement in performance, whereas
the less effective lubricant Grafitfrei 1 achieve a
significant increase in performance.
Der Einsatz von ausgewählten, nanoskalierten
Additiven ist allerdings stark von den Produkt- und
Prozesseigenschaften abhängig und eine Steigerung
der Leistungsfähigkeit und Gesenkstandmengen
können nicht in jeder Kombination nachgewiesen
werden.
However, the use of selected, nanoscale additives
does depend heavily on the product and process
properties and it is not possible to improve the
performance capability and die lifetimes in every
combination.
Verbesserung der Walzenstandmenge und
Oberflächenqualitäten von Warmband durch
innovative Kopplung von Schmierung und
Bandoberflächenkühlung
Advanced method to improve work roll life time
and surface quality of hot rolled strip by new
coupled lubrication and chilling
Ziel dieses Forschungsvorhabens war die Auswahl
und Untersuchung ölfreier Schmierstoffe sowie
Applikationsvarianten für den Einsatz beim
Warmbreitbandwalzen. Die Verminderung von
Walzkräften, die Beeinflussung der Oberflächenqualität u.a. durch einen mit der Schmierung gekoppelten Kühleffekt und die Auswirkungen auf die
Walzperformance sind untersucht worden. Über
Labor-untersuchungen, Pilotanwendungen bis zum
ersten betrieblichen Umsetzung an einem ausgewählten Gerüst wurde ein kontinuierliches Scale-up
betrieben. Neben der Prozesseignung wurden auch
die Einflüsse auf die betriebliche Wasserwirtschaft
und Möglichkeiten zur Rückgewinnung aus dem
Kühlwasser untersucht.
The objective of a completed research project was
to select and study oil-free lubricants and application variants for use in hot wide strip rolling.
The reduction of rolling forces, adjustment of
surface quality, for example by coupling lubrication
with a chilling effect, and the effects on rolling
performance were studied. The work was scaled
up continuously from laboratory experiments and
pilot applications to industrial implementation on
a selected mill stand. In addition to determining
process capability, the effects on industrial water
management and the possibility of recovering the
lubricants from the cooling water were studied.
93
Verschiedene frei am Markt verfügbaren ölfreien
Schmierstoffe wurde in Labor- und Pilotversuchen
auf Ihr grundlegende tribologische Leistungsfähigkeit sowie der Einfluss der Applikation auf deren
Wirkungsweise untersucht, Bild 82.
Various commercially available oil-free lubricants
were tested in laboratory and pilot set-ups to
determine their fundamental tribological performance and the effect of the application method
on their action, Fig. 82.
Der SRV-test wird auch zur Bewertung von Kaltwalzölen verwendet und die Reibwertsverminderung
durch die klassische Schmierfilmbildung untersucht.
Bei den Versuchen im Pilotwalzwerk wurden im
letzten von 5 Stichen die Oberwalze variable und
die Unterseite nur das Walzgut mit Schmierstoff
beaufschlagt. Aus der Kraftverminderung sowie der
unterschiedlichen Drehmomente der unabhängig
voneinander angetriebenen Walzen konnte die
unterschiedliche Wirkungsweise der Schmier-
The SRV test is also used to assess cold rolling
oils and the friction reduction a result of the
classic lubricant film formation. In the tests in
the pilot rolling mill, the last of 5 passes was
used to lubricate the top roll in varying ways,
while on the bottom roll side the lubricant was
only applied to the rolling stock. Since the rolls
were driven independently of one another, the
reduction in force and the different torques was
used to study the different effects of the lubri-
Bild / Figure 82
Ausgewählte Versuchsergebnisse, oben: Reibkoeffizienten in SRV-trials, unten: Ausgewählte Ergebnisse der Pilotwalzversuche
Selected test results, above: Friction coefficient in SRV trials, below: Selected results from the pilot rolling tests
94
mittel untersucht werden. So zeigte sich bei den
ölfreien Schmiermitteln die beste Wirkungsweise
bei der Applikation über das Band. Hierbei kommt
es zu einer Mischwirkung von Ausbildung eines
tribologisch aktiven Rückstands und einer Flüssigkeitsfilmschmierung durch Flottenbildung vor dem
Spalt auf dem Band (Oberwalze). Des Weiteren ist
der Einfluss des umgebenden Kühlwassers gering
und die Schmierwirkung setzt unmittelbar nach
Walzgutbeaufschlagung ein. Zwei Schmierstoffe
zeigten in den Untersuchungen besondere Leistungsfähigkeit und wurden für die folgenden intensiveren
Prüfungen und Untersuchungen ausgewählt.
cants. The oil-free lubricants were found to work
best when they were applied via the strip. This
resulted in a mixed effect due to the build-up
of tribologically active residues and liquid film
lubrication through accumulation of lubricant
on the strip upstream of the rolling gap (top roll).
Furthermore, the influence of the surrounding
cooling water is low and the lubricant effect sets in
immediately after the lubricant has been applied
to the rolling stock. Two lubricants were found
to perform especially well during the studies
and were therefore selected for more intensive
investigations.
Bei der Applikation auf das Walzgut kommt es
zusätzlich zu einer Kühlung der Walzgutoberfläche, welche zu einer weiteren Verbesserung der
Oberflächenqualität führen kann. Bild 83 zeigt die
unterschiedlichen Abkühlraten für Flachstrahl-,
Zerstäuber- und Vollkegeldüsen. Die besten Ergebnisse hinsichtlich Kühl- und Schmierwirkung
konnten mit den Vollkegeldüsen erzielt werden,
während eine vergleichbare Schmierwirkung bei
deutlich verringertem Verbrauch für die Zerstäuberdüsen erzielt werden konnte (der Kühleffekt
war vergleichsweise gering).
When the lubricant is applied directly to the
rolling stock, this results in additional cooling
of the rolling stock surface, which can further
improve the surface. Fig. 83 shows different
cooling rates for flat jet, atomizer, and full cone
nozzle designs. The best combined chilling and
lubricating results were achieved with the full
cone nozzles, while it was possible to achieve a
comparable lubricating effect with less consumption by using the atomizer nozzles (though with
a relatively minor cooling effect).
Die ölfreien Schmiermittel bieten zurzeit noch
keine wirtschaftliche Alternative zu den ölhaltigen
Schmierstoffen im Warmbreitbandwalzen, doch sind
die zuverlässige und unmittelbare Schmierwirkung als
auch die zusätzliche Kühlwirkung und gute Umweltverträglichkeit mit in die Wirtschaftlichkeit mit
Oil-free lubricants do not yet constitute an
economical alternative to oil-containing lubricants
in hot wide strip rolling, but nevertheless their
reliable and immediate lubricating effect and the
additional cooling effect and good environmental
compatibility should always be considered as
Bild / Figure 83
Bandoberflächentemperatur für unterschiedliche Applikationsparameter des Schmiermittels 4 (lub4)
Strip surface temperature for different application parameters of lubricant 4 (lub4)
95
ein zu beziehen. Eine Adaption der Applikation für
ölhaltige Schmierstoffe in den Walzspalt ist denkbar
und führt ähnlich wie die Peeling-Kühlung zu einer
gezielten Oberflächenkühlung. Weiterer Forschungsbedarf und Entwicklungsbedarf mit Potential zur
industriellen Implementierung ist gegeben.
part of cost-efficiency considerations. An adaptation of the application method for oil-containing
lubricants in the rolling gap is conceivable and
– like peeling cooling – would lead to targeted
cooling of the surface. There is still a need for
research and development work in this area with
the potential for industrial implementation.
Anwendung neuartiger Beschichtungssysteme zur
Verminderung der thermischen Ermüdung und des
abrasiven Verschleißes bei Arbeitswalzen
Increased abrasive wear and thermal fatique
resistance of Long Product work rolls by application of novel coating technologies
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. Zur Verbesserung der Walzenstandmengen werden in diesem Forschungsprojekt
innovative Beschichtungssysteme erstmalig für
den Einsatz beim Warmprofilwalzen untersucht
und weiterentwickelt. Das Ziel sind Oberflächenbeschichtungen, die den abrasiven und adhäsiven
Verschleiß verringern. Als Beschichtungssysteme
werden im Rahmen dieses Forschungsprojektes
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. With a view to improving the
tool life of the rolls, an 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
– PVD- Schichten (Physical Vapour Deposition),
– Keramische Schichten,
– Hochgeschwindigkeits- und Kaltspritzschichten
sowie
– Galvanische Dispersionsschichten
untersucht.
– PVD coatings (Physical Vapour Deposition),
– ceramic coatings,
– high-speed and cold-spray coatings, and
– galvanic dispersion coatings
Bild / Figure 84
Oberfläche und Querschliff einer Dispersionsbeschichtung
Surface and transverse section of a dispersion coating
96
Das BFI erprobt bestehende Dispersionsbeschichtungen auf deren Eignung für die Bedingungen
beim Warmwalzen von Profilen und entwickelt die
Schichtsysteme weiter. Für die Standmengenerhöhung durch die Beschichtung der Walzenoberfläche
ist insbesondere eine hohe Temperaturbeständigkeit und Schichthaftung ausschlaggebend. Die
Schichten müssen zur Verschleißminderung einen
ausreichenden Widerstand gegen Abrasion zeigen
und dennoch aufgrund der zyklischen Temperaturwechsel ausreichend Duktilität besitzen.
Hierzu werden die Schichtdicken, der Anteil
an Dispersionspartikel und deren Größe (siehe
Bild 84) variiert.
BFI is testing existing dispersion coatings as to
their suitability for the conditions prevailing in hot
rolling of sections and is developing the coating
systems further. Regarding tool life extension
through coating of the roll surface, the two most
important factors are high temperature resistance and layer adhesion. To have a wear-reducing
effect, the coatings must present sufficient resistance to abrasion and yet have sufficient ductility
because of the cyclic temperature changes. The
layer thicknesses, the proportion of dispersion
particles and their size (see Fig. 84) are being
varied with this in mind.
Optimierung der Beize durch zielgerichtete
Anpassung der Beizsäure
Optimising pickling through targeted adjustment of the pickling acid
Ein entscheidender Schritt für die Erzeugung
qualitativ hochwertiger Bandoberflächen in Kaltwalzwerken ist das Beizen. Hierunter wird das
Mineralsäuren verstanden.
One crucial step in producing high-quality strip
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
mineral acids.
According to the current state of the art, the
concentrations in the individual tanks of a pickling
cascade result from the addition of fresh acid to
the last tank in the cascade, the reaction of the
acid with the scale and the base metal, and the
entrainment of acid with the steel strip that is
being descaled. The ensuing concentration profile
in the cascade tanks is not optimal in terms of
reaction speed. First, laboratory experiments
were performed to study the dependency of the
pickling speed on the material, composition of
the pickling solution and the temperature.
Nach dem derzeitigen Stand der Technik ergeben
sich die Konzentrationen in den einzelnen Becken
einer Beizkaskade durch die Zufuhr von Frischsäure
in das letzte Becken der Kaskade, durch Reaktion
der Säure mit Zunder und Grundmetall und durch
Verschleppung von Säure mit dem zu entzundernden
Stahlband. Hierdurch entsteht ein hinsichtlich der
Reaktionsgeschwindigkeit nicht optimales Konzentrationsprofil in den Becken der Kaskade. Zunächst
wurde in Laborversuchen die Abhängigkeit der
Beizgeschwindigkeit von Material, Zusammensetzung der Beizlösung und Temperatur untersucht.
Mit den Daten wurde ein Modell des Beiz-Prozesses
für Stahlbänder erstellt, bei dem die Konzentration
von HCl und Metall in den Becken der Beizkaskade
durch gezielte Dosierung von Säure in die einzelnen
Becken berechnet werden kann. Das in Versuchen
ermittelte optimale Verhältnis von Säure zu Metall
kann zudem durch Berücksichtigung von Regeneratoren eingestellt werden. Es zeigte sich jedoch, dass
durch die gezielte Dosage auch Zustände eingestellt
werden können, die zum Kippen des gesamten
Beizsystems führen. Die Implementierung ist also
nur möglich, wenn die gezielte Dosage durch eine
genaue und zeitnahe Analyse der Beizbadzusammensetzung unterstützt wird.
The data were used to construct a model of
the pickling process for steel strip in which the
concentration of HCl and metal in the tanks of
the pickling cascade can be calculated through
targeted dosing of acid to the individual tanks.
The optimal ratio of acid to metal determined in
the tests can also be adjusted by including regenerators. However, targeted dosage can also lead
to conditions which disrupt the entire pickling
system. Implementation is therefore only possible
when targeted dosage is supported by precise and
timely analysis of the pickling bath composition.
97
Kunststoffkorrosion in Beizlinien
Corrosion of plastics in pickling lines
Ein entscheidender Schritt für die Erzeugung
qualitativ hochwertiger Blechoberflächen in Kaltwalzwerken ist das Beizen. Hierunter wird das
Mineralsäuren verstanden. Beim Beizen von Kohlenstoffstählen sind dies meist HCl und H2SO4, beim
Beizen von Edelstahl wird hauptsächlich Mischsäure
auf Basis von HF und HNO3 eingesetzt.
One crucial step in producing high-quality
strip 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 mineral 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 PP,
PVDF oder PES.
Line components such as pickling tanks, storage
tanks, piping systems and parts used in pickling
acid regeneration are made of plastics such as
PP, PVDF or PES because of their high resistance
to acids.
In den letzten Jahren sind die Beiztemperaturen
in den Betrieben zunehmend erhöht worden. Es
zeigten sich dann häufig zuvor nicht beobachtete
Schadensfälle von Kunststoffbauteilen, die sowohl
auf einen Abbau der Polymer-Kettenlänge als auch
auf die Reaktion der Säuren mit Additiven zurückgeführt werden können (Kunststoff korrosion).
Kunststoffkorrosion kann zu kritischen Situationen
hinsichtlich Sicherheit der Mitarbeiter, der Umwelt
und der Wirtschaftlichkeit der Beizbetriebe führen.
In recent years the pickling temperatures in
the lines have been steadily increased. 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
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.
Im Rahmen eines Projektes wurden vom BFI Filtrationsmembranen aus Kunststoff (Mikrofiltration,
Nanofiltration, Diffusionsdialyse, Elektrodialyse)
sowie Ionenaustauscher vor und nach der Beaufschlagung mit Beizsäuren charakterisiert. Zu den
eingesetzten Charakterisierungsverfahren zählen z.B.
Filtrationsleistung, Trennleistung, Oberflächenspannung, Gewichtsverlust / Quellung sowie chemische
Within the scope of a 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, surface
tension, weight loss / swelling, and chemical
Bild / Figure 85
Versuchsapparatur und Verweilzeitabhängigkeit der Zunderentfernung in einer Beizkaskade mit synthetischen Lösungen
Test apparatus and dwell time dependency for descaling in a pickling cascade with synthetic solutions
98
Zusammensetzung. Weiterhin soll der Einfluss von
gleichzeitigem chemischen und mechanischen 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.
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.
Ein gemeinsam mit der Stahlakademie organisiertes internationales Seminar zur Kunststoffkorrosion in der Stahlindustrie beschäftigte sich mit
Schadensfällen sowie Maßnahmen zum sicheren
und verlässlichen Einsatz von Kunststoffen.
An international seminar organised jointly with
the Steel Academy on plastic corrosion in the
steel industry focused on damage cases and on
measures for safe and reliable use of plastics.
Further such events will follow.
Elektropolieren in ionischen Flüssigkeiten und
nichtwässrigen Elektrolyten
Electropolishing in ionic liquids and non-aqueous electrolytes
Das Elektropolieren ist ein elektrolytisches Abtragsverfahren zur Oberflächenveredelung von metallischen Werkstoffen. Für einige insbesondere in der
Medizintechnik gebräuchliche rostfreie Edelstähle
und metallische Sonderwerkstoffe stehen derzeit
noch keine industriell anwendbaren Elektropolierelektrolyte zur Verfügung. Schwierigkeiten bei der
Bearbeitung treten meist auf, wenn sich entweder
auf der gesamten Oberfläche oder auf der Oberfläche
einzelner Gefügebestandteile eine passivierende
Deckschicht ausbildet, die unter den Elektropolierbedingungen nicht aufgebrochen werden kann.
Electropolishing is an electrolytic method of
removing material for improving the surface
finish of metallic materials. For some corrosionresistant high-grade steels and special metallic
materials, in particular those used in medical
technology, there are no available electropolishing
electrolytes for use on an industrial scale. The
difficulties in processing usually occur when a
passivating layer forms either on the entire surface
or on the surface of individual constituents of the
structure which cannot be broken down under
the respective electropolishing conditions.
Im Rahmen eines abgeschlossenen Forschungsprojektes wurde untersucht, ob ionische Flüssigkeiten
(Ionic Liquides, abgekürzt IL) für das Elektropolieren von Edelstählen und medizinischen Sonderwerkstoffen geeignet sind und für die industrielle
In a now completed research project, studies
were performed to investigate whether ionic
liquids (IL) are suitable for electropolishing of
high-grade steels and special medical materials
and would offer benefits in industrial use. IL are
Bild / Figure 86
Testanlagen zur Bestimmung des chemischen Angriffs auf Diffusionsdialyse- (links) und Nanofiltrationsmembranen (rechts)
Test systems for determining the chemical attack on diffusion dialysis membranes (left) and nanofiltration membranes (right)
99
Anwendung Vorteile bieten. IL sind Salzschmelzen,
die bereits bei Temperaturen unterhalb von 100 °C
im flüssigen Aggregatzustand vorliegen.
molten salts which become liquid at temperatures
of less than 100 °C.
Mit Hilfe der zyklischen Voltammetrie wurde
das Auflösungs- und Abscheidungsverhalten von
Eisen, rostfreien Edelstählen, Cobalt, Cobalt-Chrom
(2.4964), Niob, Tantal und Platin-Iridium 20 in unterschiedlichen ionischen Flüssigkeiten untersucht.
Des Weiteren wurde der Einfluss der Temperatur,
des Wassergehalts und verschiedener Zusätze ermittelt und Werkstoff-/Elektrolytkombinationen mit
potenziellen Elektropoliereigenschaften selektiert.
With the help of cyclic voltammetry, the dissolution and precipitation behaviour of iron, rustresistant high-grade steels, cobalt, cobalt-chromium
(2.4964), niobium, tantalum and platinum-iridium
20 were investigated in different ionic liquids.
Furthermore, the influence of the temperature,
water content and various additives was determined and material/electrolyte combinations with
potential electropolishing properties were selected.
Das 1-Ethyl-3-methylimidazoliumacetat und das
1-Ethyl-3-methylimidazoliumchlorid weisen Elektropoliereigenschaften für die rostfreien Edelstähle
1.4301 und 1.4404 auf. Allerdings ist die Streufähigkeit relativ gering. Das 1-Ethyl-3-methylimidazoliumacetat mit 1 % Wasser und 5 % Säurezusatz eignet
sich besonders für das Elektropolieren der CobaltChrom-Legierung. Niob, Tantal und Platin-Iridium
können im 1-Ethyl-3-methylimidazoliumchlorid
bei 95 °C unter Anwendung von Spannungspulsen
elektrolytisch aufgelöst werden. Am Beispiel der
Elektropolitur von Cobalt-Chrom-Stentmustern und
des Entgratens von Platin-Iridium-Herzschrittmacheranschlüssen konnte die technische Eignung von
ionischen Flüssigkeiten zur Oberflächenbearbeitung
von medizintechnischen Produkten aufgezeigt
werden. Bild 87 zeigt die REM-Aufnahmen von
Abschnitten eines unbehandelten und eines in
einer IL elektropolierten Stentmusters aus CobaltChrom (Werkstoffnummer 2.4964).
1-ethyl-3-methylimidazoliumacetate
and
1-ethyl-3-methylimidazoliumchloride exhibit
electropolishing properties for the stainless steel
grades 1.4301 and 1.4404. However, the scattering
capability is relatively low. 1-ethyl-3-methylimidazoliumacetate with 1% water and 5% added acid
is suitable especially for electropolishing of the
cobalt-chromium alloy. Niobium, tantalum and
platinum-iridium can be dissolved electrolytically
in 1-ethyl-3-methylimidazoliumchloride at 95 °C
when applying pulsed voltage. The technical suitability of ionic liquids for processing the surfaces
of medical technology products was demonstrated
in examples such as the electropolishing of cobaltchromium stent samples and the deburring of
platinum-iridium pacemaker connections. Fig. 87
shows the SEM scans of sections of an untreated
stent sample made of cobalt-chromium (material
no. 2.4964) and a sample electropolished in an IL.
Bild / Figure 87
REM-Aufnahmen von Abschnitten eines unbehandelten (links) und eines in einer IL elektropolierten (rechts) Stentmusters aus Cobalt-Chrom
SEM scans of sections of an untreated stent sample (left) made of cobalt-chromium and a sample (right) electropolished in an ionic liquid
100
Einflüsse der elektrolytischen Bandbeschichtung
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. Elektrolytisch verzinkte
Feinbleche zeichnen sich dabei besonders durch
ihr optisches Erscheinungsbild aus und werden
daher z.B. für Außenhautteile von Automobilen
eingesetzt. Verarbeitungseigenschaften wie die
Umformbarkeit und Lackierbarkeit werden durch
die Rauheit verzinkter Bleche maßgeblich mitbestimmt. Aus diesem Grund ist es wichtig, die von
der Automobilindustrie vorgegebenen Rauheitskennwerte in engen Grenzen einzuhalten.
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
have an especially attractive visual appearance and
are therefore often used for the outer skin of car
bodies, for example. The processing properties such
as formability and paintability are determined to
a large extent by the roughness of the galvanised
sheet stock. Compliance with the close tolerances
imposed by automotive industry specifications
for roughness is therefore extremely important.
Durch die elektrolytische Verzinkung wird die
Ausgangsrauheit des dressierten Bandes z.T. erheblich verändert. Da die Einflussgrößen nicht alle
erfasst werden und komplex zusammenwirken,
ist es derzeit schwierig, die Rauheit des verzinkten
Produkts in den engen Grenzen einzustellen. Im
Rahmen eines laufenden Projektes werden die
Einflüsse der Ausgangstopographie, der Elektrolytzusammensetzung und der Prozessparameter auf die
Änderung der Topographie untersucht und modelliert. Durch ein Presetting des Verzinkungsprozesses
soll die Produktion von verzinktem Feinblech mit
definierter Rauheit sichergestellt werden. Neben
der Ausgangsrauheit wird die Rauheitsänderung
auch durch die Art der Topographie (z.B. spitzenoder talorientiert) beeinflusst.
Electrolytic galvanising can change the initial
roughness of the temper rolled strip, in some
cases substantially. Since the influencing variables are not all recorded and interact in complex
ways, it is currently difficult to adjust the roughness of the galvanised product within these close
tolerances. In an ongoing project entitled “Influences of the electro galvanizing process on the
surface topography alterations”, the influences
exerted by the starting topography, the electrolyte composition and the process parameters
on alterations in surface topography are being
studied and modelled. The intention is to assure
the production of galvanised sheet with a defined
roughness by presetting the galvanising process.
In addition to the initial roughness, the type of
topography (e.g. peak or valley-oriented) also
influences the roughness alterations.
Bild 88 zeigt die Topographie bandverzinkter
Proben mit den gängigen Ausgangstopographien,
PRETEX®, EDT und EBT. Zunächst wurde ein
einfaches Modell entwickelt, mit dem sich die geometrische Einebnung bei einem homoge Aufwachsen
der Schicht durch das Füllen der Täler beschreiben
lässt. Bild 89 und Bild 90 stellen die gemessenen
und die simulierten Rauheitskennwerte Sa von
Proben, die aus zwei Anlagen über die Bandbreite
genommen wurden, gegenüber.
Fig. 88 shows the topography of samples of galvanised strip with the common starting topographies,
PRETEX®, EDT and EBT. Initially, a simple model
was developed with which the geometric levelling of the surface can be described through a
homogeneous build-up of the layer by filling the
valleys. Fig. 88 and Fig. 90 compare the measured
and simulated roughness values Sa of samples
taken across the strip width from two different
production lines.
Die Rauheitsänderung auf der PRETEX®Ausgangsoberfläche (Bild 89) lässt sich gut durch das
Modell einer geometrischen Einebnung beschreiben.
Im Fall der EDT-Ausgangstopographie (Bild 90)
müssen weitere Prozesseinflüsse, die zu einem
Aufrauhen der Oberfläche führen, berücksichtigt
werden. Diese Einflussgrößen werden im weiteren
Projektverlauf eingehend untersucht.
The alteration in roughness in the PRETEX®
starting surface (Fig. 89) can be well described
with the geometric flattening model. In the case
of the EDT starting topography (Fig. 90), further
process influences leading to roughening of the
surface must be considered. These variables will
be investigated closely in the future stages of
the project.
101
Bild / Figure 88
Dreidimensional abgetastete Topographien von elektrolytisch bandverzinkten Proben
Three-dimensionally scanned topographies of samples of electrolytically galvanised strip
Bild / Figure 89
Vergleich der gemessenen und simulierten drei-dimensionalen arithmetischen Mittenrauwerte Sa (PRETEX®, Bandoberseite)
Comparison of measured and simulated three-dimensional arithmetic average peak-to-valley height Sa (PRETEX®, strip upper side)
Bild / Figure 90
Vergleich der gemessenen und simulierten drei-dimensionalen arithmetischen Mittenrauwerte Sa (EDT, Bandoberseite)
Comparison of measured and simulated three-dimensional arithmetic average peak-to-valley height Sa (EDT, strip upper side)
102
Optimierung von Rollenlagerungen für
Stranggießanlagen
Optimisation of roller bearings for continuous
casting plants
Im Rahmen eines geförderten Verbundprojektes
wurde am Beispiel von Rollenlagerungen für Stranggießanlagen für hoch beanspruchte fettgeschmierte
Lagerungen bei ungünstigen Umgebungsbedingungen ein Lagerungs-, Dichtungs- sowie Schmierungskonzept entwickelt, mit dem neben einer
deutlichen Standzeitverlängerung eine wesentliche
Senkung des Schmierfettbedarfs erreicht werden
kann.
In a collaborative project funded by the German
Federal Ministry of Education and Research (BMBF),
a bearing, sealing and lubrication concept was
developed for highly stressed grease-lubricated
bearing points in harsh environments. This was
done using roller bearings for continuous casting
plants as an example. The developed concept can
considerably lengthen the life of the bearings
while significantly reducing the lubricant demand.
Neben hohen Lasten der Rollenlagerungen
musste insbesondere die starke Beaufschlagung mit
Prozesswasser und Schmutzpartikeln berücksichtigt
werden. Zur Abdichtung werden diese Lager stark
überfettet. Neben einer Erhöhung der Standzeit war
eine deutliche Reduzierung des Fettverbrauches,
im Idealfall durch eine Lebensdauerschmierung
wesentliches Projektziel.
In addition to the high loads the roller bearings
have to withstand, they are also heavily exposed
to process water and dirt particles. These bearings are usually well over-greased to seal them.
Besides lengthening the life of the bearings, a
major aim of the project also to significantly reduce
the lubricant consumption, ideally by achieving
lubrication for life.
Grundlage für die Entwicklung des optimierten
Konzeptes war eine detaillierte Beanspruchungsanalyse. Hierzu wurden an Lagerstellen eines Rollensegmentes im hoch beanspruchten Gießbogen
innerhalb der Kühlkammer der Stranggießanlage
über einen Zeitraum von ca. einem Jahr Lagerkräfte
und –temperaturen ermittelt sowie zyklische Bewertungen der Lagerkomponenten und Fettanalysen
vorgenommen. Auf dieser Grundlage wurden für
unterschiedliche Schmierungskonzepte Modellfette entwickelt sowie umfangreiche tribologische
Modell- und Bauteilprüfungen durchgeführt.
The starting point for developing the optimised
concept was a detailed load and stress analysis.
Over a period of approximately one year, the
forces and temperatures were recorded at the
bearing points of a roller segment in the highly
stressed casting bow within the cooling chamber
of the continuous caster. The bearing components
were assessed and the grease analysed at cyclical
intervals. Based on the information gained, model
greases were developed for different lubrication
concepts, and extensive tribological tests were
conducted on models and components.
Basierend auf den Versuchsergebnissen und Simulationsrechnungen wurden die Anforderungen an
das Lager- / Dichtungskonzept ermittelt sowie die
Auswahl geeigneter Schmierfette vorgenommen.
The test results and numerical simulations
were used to determine the requirements for
the bearing/sealing concept and to select suitable
greases.
Im Ergebnis der Untersuchungen wurde ein
Schmierfett entwickelt, das eine hohe Lasttragfähigkeit, einen guten Verschleiß- und Korrosionsschutz sowie eine sehr gute Wasserverträglichkeit
aufweist. Für die angestrebte Lebensdauerschmierung wurde ein unter den vorliegenden baulichen
Bedingungen einsetzbares optimiertes Lagerungsund Dichtungskonzept realisiert.
In einem abschließenden Betriebsversuch in der
Stranggießanlage wurde mit der Lebensdauerschmierung ein im Vergleich zur heute eingesetzten
Überfettung deutlich besseres Verschleißverhalten
ermittelt. Neben einer beachtlichen Schmierstoffverminderung ist damit eine deutliche Standzeitverlängerung möglich.
The outcome of the investigations was the
development of a grease lubricant that has high
load-bearing capability, good wear and corrosion
protection characteristics, and is highly compatible with water. An optimised bearing and sealing
concept was designed for the envisaged lubrication
for life under the existing structural conditions.
In a final operating test in the continuous caster,
the “lubed for life” bearings showed significantly
improved tribological performance compared
with the current overgreasing practice. Besides
reducing lubricant consumption by a considerable
amount, this will also significantly lengthen the
life of the bearings.
103
Das Projekt wurde in enger interdisziplinärer
Zusammenarbeit von Lager-, Dichtungs- und
Schmierstoff hersteller, Anlagenbetreiber und
Forschungsinstituten durchgeführt.
The project was conducted with close interdisciplinary co-operation between bearing, sealant
and lubricant manufacturers, equipment users,
and research institutes.
Aufgaben des BFI waren neben der Projektkoordination die Durchführung von tribologischen
Modell- und Bauteilprüfungen sowie tribologische
Schadensanalysen. Zum Test der Lager unter definierten praxisnahen Bedingungen wurde am BFI
ein Bauteilprüfstand aufgebaut der den Einsatz
von Originallagern erlaubt und für weitere Untersuchungen zur Verfügung steht.
Besides coordinating the project, BFI was also
responsible for conducting the tribological model
and component tests and the tribological damage
analyses. To test the bearings under defined,
near-real conditions, a component test rig was
built at BFI with which original bearings could
be tested and which will remain available for
further studies.
104
Measurement and Automation | Measuring and Testing
Entwicklung eines universellen Brenngas Messgerätes zur kontinuierlichen Bestimmung von
verbrennungstechnischen Gaseigenschaften
Development of a universal fuel gas measuring
instrument for continuous determination of gas
combustion characteristics
In der Eisen- und Stahlindustrie werden
Forschungsarbeiten zur Senkung des Primärenergieeinsatzes und zur Ressourcenschonung erfolgreich
durchgeführt. So ist beispielsweise die effiziente
Nutzung verschiedener Prozessgasgruppen wie
z. B. Gicht-, Konverter- und Koksofengas ein wichtiges Thema.
Across the iron and steel industry, research work
is successfully being carried out to reduce the
primary energy input and to conserve resources.
The efficient use of various categories of process
gases, such as top-, converter- and coke-oven gas,
is an important topic.
Durch den gezielten Einsatz dieser Prozessgase
wird der Erdgaseinsatz zum Teil deutlich reduziert
oder sogar teilweise vollständig substituiert. Nachteil
der Prozessgasnutzung ist, dass diese Brenngase
starken Qualitätsschwankungen unterliegen. Heizwert und Mindestluftbedarf können um bis zu 20 %
variieren. Um eine effiziente Nutzung der Brenngase
und eine homogene Verbrennungsatmosphäre
sicherzustellen, ist die genaue und vor allem kontinuierliche Kenntnis der Gaseigenschaften erforderlich. Herkömmliche Messverfahren zeigen jedoch
eine relative hohe Messungenauigkeit auf, wenn
das zu messende Brenngas vom Auslegungspunkt
des Messverfahren abweicht. Eine kontinuierliche
Gasanalyse zur Bestimmung der Gaseigenschaften
ist somit sehr aufwändig und teuer.
The systematic utilisation of these process gases
can significantly reduce the amount of natural
gas required or in some cases even completely
substitute it. The disadvantage of using process
gases, however, is that the quality of these combustion gases may fluctuate greatly. The calorific
value and the minimum air demand can vary by
up to 20 %. In order to utilize these fuel gases
efficiently and ensure a homogeneous combustion atmosphere, it is essential to know the exact
characteristics of the gas and, especially, to have
such data monitored continuously. Conventional
measuring methods, however, begin to become
relatively inaccurate when the combustion gas
being measured deviates from the design point
of the measuring equipment. Continuous gas
analysis to determine the gas characteristics is
therefore very complex and hence expensive.
Bild / Figure 91
Demonstrator des universellen Brenngasmessgerätes bei der betriebsnahen Erprobung an der Brennerversuchsanlage
Demonstrator of the universal fuel-gas measuring instrument during the operational testing at the burner testing facility
105
Mess- und Automatisierungstechnik | Mess- und Prüftechnik
Das BFI hat in Zusammenarbeit mit Messgeräteherstellern und Anlagenbetreibern in einem
gemeinsamen Forschungsvorhaben ein Messgerät
entwickelt, das die relevanten verbrennungstechnischen Eigenschaften – Heizwert, Mindestluftbedarf, Dichte und Wobbezahl – kontinuierlich
misst und als Regelgrößen zur Verfügung stellt.
Durch eine integrierte Gasanlayse wird die Prozessgasgruppe bestimmt. Durch diese Information
erfolgt eine dynamische Anpassung der entwickelten und im System integrierten Berechnungsalgorithmen. Dadurch wurde eine gleichbleibende
Messgenauigkeit über sämtliche Prozessgase der
Eisen- und Stahlindustrie, sowie für Erdgas und
deren mögliche Gasgemische erzielt. Im Verlauf
der Entwicklungsarbeiten wurde ein Demonstrator
gebaut und erfolgreich betrieblich erprobt (siehe
Bild 91). Mit einer relativen Messabweichung von
durchschnittlich < 2 % wird das neue Messgerät
zur Zeit an einer großtechnischen Feuerungsanlage
zur Brennerregelung eingesetzt.
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 value,
minimum air requirement, density and Wobbe
index – and providing these as control variables. The process gas category is determined
by integrated gas analysis. This information is
used for dynamic adaptation of the computing
algorithms that were developed and integrated in
the system. It has thus been possible to achieve
uniform measuring accuracy across all process
gases in the iron and steel industry, as well as for
natural gas and any mixtures of these gases. In the
course of the development work, a demonstrator
was built and has been successfully tested in an
industrial environment (see Fig. 91). Having an
average relative measurement error of < 2 %, the
new measuring instrument is currently being used
for burner control in an industrial firing system.
Entwicklung eines neuen Verfahrens zur verbesserten Schlackenführung bei sekundärmetallurgischen Prozessen mittels Impedanzspektrometrie
Development of a new method for improved
slag control in secondary metallurgical processes by means of impedance spectroscopy
Im Rahmen des Forschungsvorhabens wurde
eine neuartige konzentrische Graphit-Tauchsonde
zur impedanzspektrometrischen Bestimmung des
Within the scope of the research project a new
type of concentric graphite immersion probe
was developed for determining the slag state of
Bild / Figure 92
Schlacken-Impedanzmessung in der Transportpfanne
Impedance measurement of slag in a transport ladle
106
Schlackezustands bei schmelzflüssigen sekundärmetallurgischen Schlacken entwickelt. Damit wird
eine verbesserte Schlackenführung bei sekundärmetallurgischen Prozessen erzielt.
molten secondary metallurgy slags by impedance
spectroscopy. This makes it possible to improve the
slag control in secondary metallurgical processes.
Die konzentrische Graphit-Tauchsonde wurde
anhand von Impedanzmessungen an betrieblichen
Schlacken im Labormaßstab, sowie im Schmelzbetrieb erfolgreich erprobt. Es wurde nachgewiesen,
dass sich die Tauchsonde gut zur Bestimmung des
CaO-Massenanteils schmelzflüssiger Schlacken
des Systems SiO2-CaO-Al2O3 eignet. Die impedanzspektrometrische Bestimmung des Schlackezustands ist bis zu CaO-Massengehalten von > 55 %
anwendbar, und beinhaltet damit auch den Bereich
typischer sekundärmetallurgischer Pfannenschlacken mit hohem CaO-Massenanteil, wo ungelöste
Kalk Ausscheidungen auftreten. Weiterhin wurde
gezeigt, dass auch das Verhältnis Al2O3 zu SiO2 einen
geringen Einfluss auf den berechneten spezifischen
Widerstand der Schlacke hat. Zur Bestimmung
des Massenanteils von CaO aus dem berechneten
spezifischen Widerstand der schmelzflüssigen
Schlacke wurde eine empirische Berechnungsgleichung bestimmt, welche im Betriebsversuch
bestätigt wurde.
The concentric graphite immersion probe was
successfully tested by conducting impedance measurements at the lab scale on slag from industrial
sources and in actual smelting operations. It was
demonstrated that the probe is well suited for
determining the CaO mass percentage of molten
slags with a SiO2-CaO-Al2O3 system. Determination
of the slag condition by impedance spectroscopy
is possible up to CaO mass percentages of > 55 %,
thus covering the typical secondary metallurgical
ladle slag with a high CaO content with undissolved lime precipitations. Furthermore, it was
shown that the ratio of Al2O3 to SiO2 (A/S) also has
a minor effect on the calculated specific resistance
of the slag. To determine the mass percentage
of CaO from the calculated specific resistance of
the molten slag an equation for the calculation
was empirically established and its validity then
confirmed in mill operating conditions.
Es zeigte sich, dass bei der Messung des Impedanzspektrums auf niedrige Frequenzen von kleiner
als 20 Hz verzichtet werden kann. So sind bei der
betrieblichen Anwendung Messzeiten von etwa
3 s erzielbar.
It was found that it was not necessary to include
low frequencies of less than 20 Hz when measuring
the impedance spectrum. As a result, measuring
times of about 3 s can be achieved in industrial
practice.
Online Schwingungsanalyse zur Überwachung des
Schlackeschäumens im Konverter
Online vibration analysis for monitoring slag
foaming in the converter
Die Erhöhung der Produktivität und das Sicherstellen der Qualität hinsichtlich der angestrebten
Zielanalyse sind beim Konverterprozess von besonderer Bedeutung. Wichtig ist hierzu die Überwachung und Regelung der Schaumschlacke während
des Frischens. Auswurf muss jedoch vermieden
werden. Eine Veränderung der Schichtdicke der
Schaumschlacke führt zu einem geänderten
Schwingungsverhalten des Konverters und gestattet
daher eine erweiterte Prozesskontrolle.
In the converter process, attempts to increase
productivity and assure quality in terms of the
target chemical composition are of special significance. One important aspect in this respect is
monitoring and control of the foaming slag during
refining, while avoiding any slopping. A change in
the height of the foaming slag layer will change
the oscillation behaviour of the converter and thus
allows expanding the scope of process monitoring.
Die Schwingungen der Blaslanze werden mit
einem Beschleunigungssensor erfasst. Mit einer
Bandpass-Filterung werden verschiedene Frequenzen
des Schwingungsspektrums selektiert. Einem
Auswurf-Ereignis geht stets ein starker Anstieg
eines charakteristischen Schwingungssignals voraus.
Tritt kein Auswurf auf, sind auch die charakteristi-
Vibrations of the blowing lance are measured
by an acceleration sensor. A bandpass filter is
used to select various frequencies of the oscillation spectrum. Slopping is always preceded by a
steep rise in a characteristic oscillation signal. If
there is no slopping, the characteristic oscillations
have a correspondingly low amplitude. Even the
107
schen Schwingungen gering. Selbst das Chargieren
von Zusatzstoffen hat keinen Einfluss auf diese
Frequenzen.
charging of additives has no influence on these
frequencies.
Die Schwingungsdaten können online erfasst und
analysiert werden. Da der Auswurf mit zeitlicher
The oscillation data can be acquired and analysed
online. Since slopping occurs with a time delay
Bild / Figure 93
Schwingungsmessung am kalten Ende der Sauerstofflanze
Vibration measurement at the cold end of the oxygen blowing lance
Bild / Figure 94
Auswurf-Früherkennung durch Analyse der Vibrationsamplitude der Sauerstofflanze
Early detection of slopping by analysing the vibration amplitude of the oxygen blowing lance
108
Verzögerung auf das Abklingen der charakteristischen Schwingungen auftritt, kann Auswurf
frühzeitig vorhergesagt werden. Diese Information kann als Parameter bei der Prozesssteuerung
verwendet werden, um drohendem Auswurf z.B.
durch Anpassung der Lanzenstellung entgegenzuwirken. Auswurf kann so reduziert und die Schaumschlackensteuerung wesentlich verbessert werden.
after the characteristic oscillations have died down,
it is possible to predict slopping at an early stage.
This information can be used as a parameter in
process control in order to counteract incipient
slopping by changing the lance height. It is thus
possible to reduce the number of slopping events
and to achieve substantially better control of
slag foaming.
Steigerung der Energieeffizienz bei der Herstellung von Gießschmelzen für Stahlgussteile
Improving energy efficiency in the production
of casting melts for steel castings
Zur weiteren Steigerung der Energieeffizienz
bei der Herstellung von Gießschmelzen für
Stahlgussteile wird eine kontinuierliche Temperaturüberwachung und –regelung während des
Schmelzprozesses benötigt. Hierdurch kann die
notwendige Schmelzentemperatur und Abstichtemperatur sicher erreicht werden, so dass die im
Nachgang häufig aufwändigen Temperaturanpassungen entfallen.
To achieve further improvements in energy efficiency in the production of casting melts for steel
castings, continuous temperature monitoring and
control are required during the smelting process.
This will enable the necessary melt temperature
(tapping temperature) to be reliably achieved so
that subsequent, and often costly, temperature
adjustments are no longer needed.
Das neuartige emissionsgradunabhängige faseroptische Temperaturmessverfahren DynTemp®
des BFI hat bereits seine Praxistauglichkeit bei
Handlanzenmessungen in Gießbetrieben bewiesen.
Die Ergebnisse sind gleichwertig mit der konventionellen Eintauch-Thermoelementmessung.
Darüber hinaus besteht schon jetzt der Vorteil
einer Unempfindlichkeit gegenüber elektromagnetischen Feldern. Das Messprinzip bietet das Poten-
The novel fibre-optical temperature measuring
technique DynTemp® from BFI, which is independent of the emission characteristic of the
melt surface, has already proven its fitness for
industrial use in measurements with manual
lances in foundry operations. The results are as
good as those obtained with conventional immersion thermocouples. In addition, the technique
already has the advantage of being insensitive
Bild / Figure 95
Handlanzenbasierte hochdynamische Schmelzentemperaturmessung mit langzeitstabiler Sonde.
Highly dynamic melt temperature measurement using manual lances with a durable probe
109
tial zu einer kontinuierlichen hochdynamischen
online Schmelzentemperaturmessung. Neben der
Verlängerung der Temperaturmesszeit ergibt sich so
der Vorteil eines mehrfachen Einsatzes der Sonden
in der Schmelze.
to electromagnetic fields. The measuring principle offers the potential for continuous, highly
dynamic online melt temperature measurement.
Besides lengthening the temperature measurement time, another benefit will be multiple use
of the probes in the melt.
Das Potential zu einer kontinuierlichen Langzeitmessung wird durch die Entwicklung einer Sonde
mit stark isolierenden Schutzschichten gehoben
(Bild 95). Dabei eröffnet die Entwicklung einer
dauerhaft eintauchenden Sonde nun erstmals die
Möglichkeit, direkte schmelzmetallurgische Vorteile
durch die Temperaturmesstechnik zu erzielen: Das
für das Messverfahren benötigte Inertgas kann zu
einer Schutzgasschicht auf der Schmelzbadoberfläche beitragen, die eine Reoxidation der Schmelze
weitgehend verhindert. Durch den Einsatz der neuen
Temperaturüberwachung und –regelung wird eine
Effizienzsteigerung um bis zu 5 % erwartet.
The potential for continuous longterm measurement will be provided by developing a probe
with highly insulating protective coatings
(Fig. 95). Developing a permanent immersion
probe will open up the opportunity for the first
time of generating direct metallurgical benefits
at the melt level with the help of temperature
measurement technology. The inert gas required
for the measurement technique can help to create
a protective gas layer on the melt bath surface
which will largely prevent reoxidisation of the
melt. An improvement in energy efficiency of
up to 5 % is expected from the use of the new
temperature monitoring and control system.
Überwachung der Gießpulverabdeckung in der
Kokille
Monitoring of casting powder coverage in the
mould
Die Abdeckung des Gießspiegels und der gleichmäßige Einlauf des Gießpulvers in den Gießspalt
sind wesentliche Voraussetzungen zur Vermeidung von Durchbrüchen und Oberflächenfehlern.
Gesteuert wird die Gießspiegelabdeckung durch die
Art und Häufigkeit der Gießpulverzugabe, wobei
eine direkte Kontrolle insbesondere beim Gießen
von Langprodukten meist nicht möglich ist.
The coverage of the mould level and the uniform
flow of the casting powder into the casting gap are
essential preconditions for avoiding powder entrapment and surface defects. Mould-level coverage is
controlled by the type and frequency of casting
powder addition. In most cases, however, direct
control is not possible, especially when casting
long products.
Bild / Figure 96
Mobiles System zur Überwachung der Gießpulverabdeckung des Gießspiegels
Mobile system for monitoring of casting powder coverage of the mould level
110
Daher entwickelte das BFI eine kostengünstige
optische Messtechnik zur Überwachung der Gießpulverzugabe. Die Kombination einer robusten
bildgebenden Sensorik mit einer spezifischen
online Bildverarbeitung liefert eine kontinuierliche Überwachung der Badspiegeloberfläche. Das
System ist sowohl in mobiler als auch in stationärer
Ausführung verfügbar. Auf diese Weise kann die
Gießpulverabdeckung lückenlos beurteilt werden.
Bereiche mit ungenügender Bedeckung werden
sofort automatisch erkannt.
BFI has therefore developed a cost-effective
optical measuring technique for monitoring
casting powder addition. A combination of a robust
imaging sensor with a dedicated online image
processing unit permits continuous monitoring
of the bath level surface. The system is available in both mobile and stationary versions. It
enables seamless assessment of the casting powder
coverage. Areas with insufficient coverage are
automatically and instantly detected.
Verbesserung der Schmelzentemperaturführung
im Pfannenofen durch kontinuierliche faseroptische Temperaturmessung
Improvement of melt temperature control in
the ladle furnace through continuous fibreoptical temperature measurement
Bei der Behandlung des flüssigen Stahls im Pfannenofen wird die Schmelze bis zur erforderlichen
Übergabetemperatur an das nachfolgende Aggregat
der Prozesskette aufgeheizt. Eine kontinuierliche
Kontrolle der Schmelzentemperatur ermöglicht
dabei, den erforderlichen Energieeintrag zum
Aufheizen der Schmelze optimal zu regeln und die
benötigte Zieltemperatur genau einzustellen. Bislang
kann die aktuelle Temperatur der Schmelze durch
ein Temperaturmodell kontinuierlich berechnet
werden. Nach dem Heizen wird durch eine Thermoelementmessung ein lokaler Kurzzeitwert bestimmt
und die berechnete Temperatur der Schmelze auf
diesen Wert korrigiert.
During treatment of the liquid steel in the
ladle furnace, the melt is heated to the temperature required at the next plant in the process
chain. Continuous monitoring of the liquid steel
temperature enables optimal control of the energy
required to heat the melt and precisely adjust the
required target temperature. Up to now the actual
temperature of the melt has been computed using
a temperature model. After heating, a thermocouple measures a local short-term value, and
the computed melt temperature is corrected to
this value.
Mit einer neuen faseroptischen Temperaturmessanlage (Bild 97) kann die Schmelzentemperatur auch während der Pfannenofenbehandlung kontinuierlich erfasst werden. Bei der aus
Messgerät, Lanze und Manipulator bestehenden
Messanlage, die auf dem DynTemp®-Messprinzip
beruht, wird ein verzehrender Lichtwellenleiter
in einer manipulatorgestützten Schutzrohrsonde
durch die Schlacke direkt in die Schmelze eingespult. Die Wärmestrahlung der Schmelze wird
durch den Lichtwellenleiter zu einem Detektor
geführt und die Temperatur bestimmt. Auch bei
eingeschaltetem Lichtbogen können Messungen bis
etwa 90 Sekunden Dauer mit speziell entwickelten
Minco-Sonden durchgeführt werden.
With a new fibre-optical temperature measuring system (Fig. 97), the melt temperature can
now also be measured continuously during treatment in the ladle furnace. In this system, which
is based on the DynTemp® measuring principle
and comprises a measuring instrument, lance
and manipulator, a consumable optical fibre is
guided in a manipulator-controlled lance with
a protective tube through the slag into the melt
itself. The heat radiated by the melt is conducted
through the optical fibre to a detector where
the temperature is determined. Even during arc
in operation, measurements with a duration of
about 90 seconds can be performed using specially
developed Minco probes.
Durch die Kenntnis der aktuellen Temperatur und
der realen Geschwindigkeit des Temperaturanstiegs
während des Heizens kann das Temperaturmodell
die Schmelzentemperatur genauer berechnen.
Diese Chargeninformationen ermöglichen, die
Temperaturführung zu verbessern. In Bild 98 kann
die gemessene Temperaturentwicklung nahe der
By knowing the actual temperature and the
temperature rise during heating, the temperature
model is able to compute the liquid steel temperature more accurately. This charge information
makes it possible to improve the temperature
control. Fig. 98 shows the measured temperature
evolution near to the melt bath surface at the
111
Schmelzbadoberfläche am Ende der Heizphase
verfolgt werden. Man erkennt eine starke Abkühlung
der überhitzten Badoberfläche nach Abschalten des
Lichtbogens durch die Durchmischung der Schmelze.
Die strömungsinduzierte Temperaturfluktuation
nimmt mit der Zeit ab. Durch diese kontinuierliche Messung kann beurteilt werden, wann die
Schmelze homogen ist und so die Zuverlässigkeit
der Temperaturmessung gegenüber der KurzzeitThermoelementmessung gesteigert werden kann.
Mit Hilfe dieser kontinuierlichen faseroptischen
Temperaturmessung kann die Sicherheitsmarge
der Überhitzungstemperatur reduziert werden.
end of the heating phase. One can observe the
rapid cooling of the superheated bath surface
after the electric arc has been switched off by
homogenisation of the melt. The circulationinduced temperature fluctuation decreases with
time. Thanks to this continuous measurement it
is possible to judge when the melt has become
homogeneous and to increase the reliability of
this temperature measuring technique compared
with the short-term thermocouple measurement.
Thus, with the continuous fibre-optical temperature measurement it is also possible to reduce the
safety margin for the overheating temperature.
Bild / Figure 97
Pfannenofen mit faseroptischer Temperaturmessanlage
Ladle furnace with fibre-optical temperature measuring system
Bild / Figure 98
Kontinuierliche Messung der Schmelzentemperatur am Ende der Pfannenofenbehandlung
Continuous measurement of the liquid steel temperature at the end of ladle furnace treatment
112
Innovative berührungslos und zerstörungsfrei
arbeitende Sensoren für die automatische Oberflächen- und Innenfehlerdetektion an heißen
Stranggussprodukten
Innovative non-contact, non-destructive sensors
for automatic detection of surface and internal
defects in hot continuously cast products
Das BFI hat im Berichtszeitraum ein Forschungsprojekt abgeschlossen, in dessen Rahmen ein
berührungslos arbeitendes Phased-Array EMATBrammen-US-Prüfsystem zur Detektion und Darstellung oberflächennaher Risse an kalten und heißen
Stranggussbrammen entwickelt wurde. Durch den
Einsatz von elektromagnetischen Ultraschallköpfen
erfolgt die Prüfung berührungslos und koppelmittelfrei. Es werden spezielle Oberflächenwellen
(Rayleighwellen) benutzt, die für diesen Anwendungsfall ein besonders hohes Fehlernachweisvermögen bieten. Liegt die maximale Temperatur an
der Oberfläche am Ort des Prüfkopfes unterhalb der
Curie-Temperatur (legierungsabhängig [für Stahl
ca. 768° C]) kann eine hohe Fehlerempfindlichkeit
erreicht werden.
During the reporting period BFI has completed a
research project, whereby a non-contact operating
EMAT US slab inspection system was developed for
the detection and representation of near-surface
cracks on cold and hot continuous casting slabs.
The use of electromagnetic ultrasonic probes
allows a non-contact testing and no coupling
media is required. The applied surface waves
(Rayleigh-waves) offer a particularly high defect
detection capability for this application. For
surface temperatures below the Curie temperature (dependent on alloy [for steel 768° C]) at the
location of the test probe high defect sensitivity
can be achieved.
Bild / Figure 99
Ultraschall-Prüfung von Brammen
Ultrasonic inspection of slabs
113
Die gesuchten Oberflächen- bzw. oberflächennahen
Defekte an Brammen wurden auch bei schwierigen
Randbedingungen (Oszillationsmarken, Restzunder)
sicher und reproduzierbar detektiert. Die kleinste
detektierbare Fehlerfläche ist von der Oberflächenbeschaffenheit abhängig und beträgt an natürlichen
Stranggussprodukten ca. 4 mm2 (z.B. Risslänge =
2 mm und Risstiefe 2 mm).
Surface and near-surface defects in slabs can be
detected reliably and reproducibly under difficult
conditions (oscillation marks, adhesive scale). The
smallest detectable defect area depends on the
surface quality and reaches 4 mm2 for natural
continuous casting surfaces (e.g. 2 mm crack
depth and 2 mm crack length).
In dem komplexen Ultraschall-Prüf kopf ist die
Sende- und 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 Steuerung der Elektronik übernimmt und die
Ultraschalldaten darstellt und protokolliert.
Das Verfahren wurde an Brammenstücken im
Labor getestet und mit anderen Prüfverfahren
verglichen. Es konnte gezeigt werden, dass diese
Technik in der Lage ist, feinste Risse und Einschlüsse
an der Oberfläche aber auch unterhalb der Oberfläche zu detektieren. Das Bild 99 zeigt Risse an
einer Brammenoberfläche und das zugehörige
Ultraschallbild.
The complex transmitter and receive electronic
is integrated into the ultrasonic probe housing.
These electronics are made of State of the art
technology (FPGA, DSP) and communicate via an
Ethernet connection with a PC. The PC controls
the system and displays and logs the results.
Ein weiteres Projekt zur Realisierung einer
Prototypanwendung im industriellen Umfeld ist
gemeinsam mit Industriepartnern geplant.
Another project to build a prototype application in the industrial environment is planned in
conjunction with partners from steel industry.
Durchmesserbestimmung von heißem
Rundmaterial
Diameter measurement on hot round bars
Die verzögerungsfreie, berührungslose und kontinuierliche Messung der geometrischen Abmessungen
eines Produktes während der Produktion mit hoher
Messrate im Gegensatz zur stichprobenartigen
Einzelmessung des fertigen Produktes ist von hoher
Bedeutung für die Qualitätssicherung in der Produktion von Werkstücken. Vom BFI wird hierfür ein
Messsystem erfolgreich eingesetzt (siehe Bild 100),
das die Eigenstrahlung des heißen Materials für
die Durchmesserbestimmung ausnutzt. Als Sensor
dienen dabei Diodenzeilenkameras, die das durch
seine Eigenstrahlung erzeugte Abbild des heißen
Materials zur Signalverarbeitung nutzen. Diese
spezielle Arbeitsweise ermöglicht eine Messung
auch aus großer Entfernung, so dass die Kameras
absolut sicher vor Hitze und Stoß montiert werden
können. Messfehler aus optischen Effekten werden
zuverlässig kompensiert. Bild 101 zeigt das allgemeine Messprinzip.
During production measuring of geometric
dimensions undelayed, non-contacting and
continuously and with high repetition rate instead
of random sampling is of high importance for
quality assurance. That’s why BFI is successfully
offering a measuring system (see Fig. 100) which
uses the high self-emission of hot material for
diameter evaluation. Line-scan-cameras as sensors
evaluate the image produced by hot radiation of
the material. This particular method allows measurements from a distance, so that the cameras can
be mounted completely safe from heat and shock.
Measuring faults caused by optical effects are
reliably compensated. Fig 101 shows the general
principle of measurement.
Bei einem relativ fixen Abstand zwischen Messsystem und Messobjekt (z.B. Langschmiedemaschinen)
If the distance between camera and object to be
measured is fixed (e.g. long-forging-machines) then
114
The procedure has been tested in the laboratory on slab pieces and was compared to other
inspection technologies. It could be shown that
this technique is able to detect very fine cracks
and inclusions at the surface but also below the
surface. Fig. 99 shows cracks on a slab surface
and the corresponding US-image.
ist die Variante mit einer einzelnen Kamera ausreichend. Bei Produktionslinien mit veränderlicher
Position des Materials (z.B. Rohrwalzwerke) wird
durch den Einsatz einer Zwei-Kanal-Ausführung in
Winkel-Anordnung eine permanente, wechselseitige
Korrektur von Lageschwankungen vorgenommen.
a single-camera system is completely sufficient.
On production lines with unsteady position of the
material (e.g. tube-rolling mills) a continuous and
mutual correction of moving position is achieved
using a two-channel-system with two cameras
installed at an angle.
Durch konsequente Weiterentwicklung konnten
die Einsatzmöglichkeiten des BFI-Systems erweitert
werden:
– Die Integration von zwei Sensoren hat den Messbereich bei Beibehaltung der hohen Präzision
deutlich erweitert.
– Während früher die Winkelanordnung der Kameras
auf Winkel nahe 90° beschränkt war, ist nunmehr
Through systematic further development it has
been possible to expand the application possibilities for the BFI system.
– Integration of two sensors significantly
increased the measuring range of the singlechannel system up keeping high precision.
– Formerly the angle of two-channel-system
was restricted close to 90°. Now the range
Bild / Figure 100
Freiformschmiede im Einsatz
Open-die forge in operation
Bild / Figure 101
Messprinzip der Durchmessermessung
Principle of diameter measurement
115
ein Bereich von ca. 45° bis 135° praktisch nutzbar.
Durch diese und weitere Verbesserungen
erschließen sich auch neue Einsatzgebiete.
is practically increased to some 45° to 135°.
These and other improvements are also opening
up new areas of application.
In den letzten Jahren wurde weltweit eine Reihe
von unterschiedlichen Produktionslinien mit dieser
Messtechnik ausgestattet. Die an Langschmiedemaschinen geforderte und realisierte Messbereichsauflösung bei Messabständen von etwa 9 bis 11m
liegt hierbei im Bereich von weniger als 100µm.
In the past a number of different production lines
could be equipped with this measuring technique.
On long-forging-machines resolution requested and
realized is below 100µm at a measuring distance
of some 9 to 11m.
Kostengünstiger Ellipsometer-Sensor zur Messung
von dünnsten Schichten auf Stahlband in der
Linie
Cost-effective ellipsometer sensor for inline
measurement of ultrathin layers on steel strip
Das BFI hat einen optischen Sensor zur OnlineMessung von dünnen Schichten auf bewegten Metallbändern zum Einsatz direkt in der Linie realisiert.
Dieser arbeitet nach dem Prinzip der Ellipsometrie.
Hierbei wird die Messstelle mit polarisiertem Laser-
BFI has designed and built an optical sensor for
online measurement of thin layers on moving
metal strip, for use directly at the line. The sensor
works on the principle of ellipsometry.
Bild / Figure 102
Ellipsometer-Messkopf in der Weißblechlinie
Ellipsometer probe on a tinplate line
Bild / Figure 103
Messprinzip der ellipsometrischen Schichtdickenmessung
Principle of layer thickness measurement by ellipsometry
116
licht angestrahlt. Die Wechselwirkung zwischen
Licht und Oberfläche, hier bestehend aus Substrat
(Metall) und Schicht (z.B. Öl) äußert sich in einer
Veränderung des Polarisationszustandes. Durch
Analyse des Polarisationszustandes des reflektierten
Strahlenbündels lässt sich bei Kenntnis der relevanten physikalischen Eigenschaften hieraus die
Dicke der aufliegenden Schicht ermitteln (siehe
Bild 102)
Dem BFI ist es gelungen, einen Sensor speziell
für die Messung auf bewegtem Stahlband auszulegen, mit dem Schichten im Nanometerbereich im
Prozess kontinuierlich gemessen werden können.
In der aktuellen Ausführung liegt der Messbereich
bei 0-100nm; das entspricht eine Ölauflage von
0-100 mg/m². Die Messgenauigkeit liegt bei +/- 1 nm.
Größere Schichtdicken können durch Anpassung
des Systems nach demselben Prinzip erfasst werden
Here, the measuring point is illuminated with
polarized laser light. The interaction between light
and surface, here consisting of substrate (metal)
and layer (e.g oil) is reflected in a change in the
polarization state. By analyzing the polarization
state of the reflected beam knowing the relevant
physical properties the thickness of the overlying
layer can be determined (see Fig. 102).
BFI could successfully design such a sensor especially for applications on moving steel strip. The
system is useful for continuous layer thickness
measurement in the nanometer range directly in
the process. In the current design the measuring
range is 0 to 100nm, which corresponds to an
oil coating of 0 to 100 mg/m². The accuracy is
+/- 1nm. Larger thicknesses can be measured by
a system adjustment on the same principle.
In einem Langzeittest mit einem Gerätehersteller
wurden Messgenauigkeit, Zuverlässigkeit und
Standzeit nochmals evaluiert, siehe Bild 103. Das
ausgereifte System soll nun über einen Lizenznehmer dem Markt zum Einsatz unter stahltypischen Betriebsbedingungen zugeführt werden.
In a long-term test with a device manufacturer
accuracy, reliability and durability were evaluated
again, siehe Fig. 103. The sophisticated system
should be brought now to the market by a licensee
with the focus on typical operating conditions
of steel.
Werksweites Störungsbenachrichtigungssystem
Factory-wide fault reporting system
Die 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. Heutzutage kann nicht mehr
von einer ständigen Personalpräsenz ausgegangen
werden. Periphere Bereiche sind eher selten in
automatische Überwachungssysteme eingebunden.
Diese Schwachstellen können unter Ausnutzung
moderner Informationstechnologien komfortabel
und effizient behoben werden.
The fast registration and prompt adjustment of
disturbances are in close relation to the success
of a company. Normally in producing companies
manufacturing facilities will be always supervised by adapted sensor equipment. Malfunctions are displayed directly at the machine or
at the operation desk respectively the control
station. A permanent personal presence cannot be
assumed in these days. Often peripheral areas are
not integrated in automatic monitoring systems.
These weak points can be eliminated comfortably
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.
Es orientiert sich an den Verhältnissen bei einem
Stahlverarbeiter und wurde in den betrieblichen
Einsatz überführt (siehe Bild 104).
The factory-wide malfunction messaging system
developed by BFI is characterized by a uniform
approach to solution suited for installation and
upgrade of heterogeneous equipped plants. It is
oriented towards the situation of a steel-processing
company and was transferred to operation inside
a steel plant (Fig. 104)
Das parametrierbare System sammelt Meldungen,
erkennt einen Störzustand und bewertet die Relevanz
The parameterisable system collects malfunction
messages, recognizes the status of these messages
117
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.
and evaluates the relevance of the message by
defined criteria. Qualified 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.
Die sich im praktischen Betrieb abzeichnenden
Möglichkeiten führten dazu, dass das System,
welches zunächst nur für die Direktbenachrichtigung einiger ‚kritischer‘ Störzustände ausgelegt
war, nun möglichst viele Störungsquellen in dieser
Form behandeln soll. Gemeinsam mit dem Industriepartner werden so Optimierungen und Ergänzungen eingebracht, die diese Pilotanwendung zur
vollständigen Industriereife führen sollen.
As its capabilities emerged in industrial practice,
it was decided to expand the system, which was
initially designed only for direct reporting of a
number of ‘critical’ fault conditions, so that it
could handle as many of such fault sources as
possible. Together with the industrial partner,
BFI is now jointly optimising and expanding
the system to bring this pilot application to full
industrial maturity.
Bild / Figure 104
Prinzip des Störungsbenachrichtigungssystems
Concept of malfunction message system
118
Measurement and Automation | Process and Plant Automation
Entwicklung einer kostenoptimierten Einsatzstoffrechnung für den Lichtbogenofen
Development of a cost-optimised charge
calculation for electric arc furnaces
Die im Lichtbogenofen eingesetzten Schrotte
weisen bezüglich ihrer Zusammensetzung und
ihres metallischen Ausbringens zum Teil sehr
starke Schwankungen auf, was insbesondere auf
günstige Schrotte von geringerer Qualität zutrifft.
Dies erfordert eine kontinuierliche Ermittlung
dieser Kennwerte und deren Verwendung in einer
Einsatzstoffrechnung zur Bestimmung des kostengünstigsten Schrottmixes zur Produktion einer
vorgegebenen Stahlgüte.
The scrap materials used in electric arc furnaces
can vary considerably in terms of composition and
metallic yield, especially in the case of low quality
scrap. This calls for continuous determination of
these parameters for use in a charge mix calculation to identify the most cost-effective scrap mix
for production of a specified steel grade.
Zur Ermittlung aller relevanten Eigenschaften
der im Lichtbogenofen eingesetzten Schrottsorten
wurden statistische Methoden zur Bestimmung
des metallischen und elementweisen Ausbringens
entwickelt. Insbesondere für die unerwünschten
Begleitelemente Cu und Sn und die Legierungselemente Cr, Ni und Mo lassen sich mit Hilfe der
ermittelten Ausbringungsfaktoren die Gehalte
im Stahl bei Abstich sehr präzise voraussagen.
Für die Elemente Mn und Si, die einem hohen
Abbrand unterliegen, muss dabei zusätzlich die
Schlackenanalyse berücksichtigt werden. Darüber
hinaus wurden Strategien zur Nachverfolgung der
Qualitätsschwankungen der einzelnen Schrottsorten entwickelt. Diese statistischen Methoden
zur Ermittlung aller relevanten Schrottkennwerte
sind Bestandteil des Programms zur Bestimmung
With a view to determining all the relevant
characteristics of the scrap grades used in electric
arc furnaces, statistical methods were developed
for determining both the metallic yield and the
element-wise yield. The identified yield factors
permit very precise prediction of the percentage
content in steel at tapping for the undesired tramp
elements Cu and Sn and the alloying elements
Cr, Ni and Mo. For the oxidisable elements Mn
and Si, the slag analysis must also be taken into
consideration. Further to this, strategies for
tracking quality fluctuations in the individual
types of scrap were developed.
These statistical methods for determining all
relevant scrap characteristics are an integral part
of the program for selecting the most cost-effective
scrap mix. The factors taken into consideration
Bild / Figure 105
Bedienoberfläche zur Bestimmung des kostenoptimalen Schrottmixes für eine vorgegebene Stahlgüte
User interface for selecting the cost-optimal scrap mix for a specified steel grade
119
Mess- und Automatisierungstechnik | Prozess- und Anlagenautomatisierung
des kostengünstigsten Schrottmixes. Dabei werden
sowohl Beschaffungs- und Energiekosten sowie
Verfügbarkeit der Schrottsorten als auch prozessbedingte Einschränkungen, wie z.B. maximale
Menge einer Sorte und begrenztes Korbvolumen
berücksichtigt. In Bild 105 ist die Bedienoberfläche
zur Bestimmung des optimalen Schrottmixes dargestellt. Die bei Abstich zu erwartende Analyse ist
neben den oberen Grenzwerten der Zielanalyse der
ausgewählten Stahlgüte aufgelistet, wobei kritische
Elementgehalte rot hinterlegt werden.
include procurement and energy costs, the availability of the scrap types, as well as process-related
restrictions, such as the maximum quantity of any
particular scrap type and limited basket volume.
Fig. 105 shows the user interface for selecting the
optimum scrap mix. The chemical composition
to be expected at tapping can be seen along with
the upper limits of the target analysis, critical
element contents being highlighted in red.
Die statistischen Methoden zur Bestimmung
der Schrottkennwerte und des kostenoptimalen
Schrottmixes sind unter entsprechender Berücksichtigung des eingesetzten Roheisens auch auf
den Blasstahl-Konverter übertragbar.
The statistical methods for determining the
scrap characteristics and the cost-optimised scrap
mix can be transferred to BOF converters, while
taking account of the hot metal amount and
composition being charged.
Im Vergleich zu der Auswahl der Schrottsorten
anhand von festen Tabellen ist durch die kostenoptimale Einsatzrechnung eine Einsparung bzgl. der
Schrottkosten von 5-10 % zu erwarten.
Compared to selecting scrap types according to
tables with fixed data, the cost-optimal charge
mix calculation is expected to bring savings of
5–10 % in scrap costs.
Entwicklung eines dynamischen Energie- und
Massenbilanz-Modells zur on-line Berechnung
der Schmelzentemperatur und des Kohlenstoffgehalts im Lichtbogenofen
Development of a dynamic energy and mass
balance model for on-line computation of the
melt temperature and the carbon content in
electric arc furnaces
Für eine energieund ressourceneffiziente Fahrweise des Lichtbogenofens ist die Anwendung
moderner Automatisierungssysteme basierend
The use of modern automation systems based on
dynamic process models and continuous measuring
systems is essential for an energy- and resource-
Bild / Figure 106
Bild / Figure 107
Genauigkeit des dynamischen LBO-Prozessmodells bzgl. der Schmelzentemperatur
Accuracy of the dynamic process model in terms of melt temperature
Genauigkeit des dynamischen LBO-Prozessmodells bzgl. des Kohlenstoffgehalts
Accuracy of the dynamic process model in terms of carbon content
120
auf dynamischen Prozessmodellen und kontinuierlichen Messsystemen unabdingbar.
efficient operation of electric arc furnaces.
Zur online Beobachtung des aktuellen Prozesszustands und zur Steuerung der chemischen
Energieeinträge wurde für den Elektrolichtbogenofen ein dynamisches Prozessmodell entwickelt.
Dieses Modell basiert auf Energie- und Massenbilanzen und berechnet sowohl die aktuelle
Schmelzentemperatur als auch Gewicht und Zusammensetzung des Stahls und der Schlacke während
des gesamten Behandlungszeitraums.
A dynamic process model for electric arc furnaces
was developed for on-line observation of the
process status and for controlling the chemical
energy input. This model is based on energy and
mass balances and computes not only the current
melt temperature but also the weight and composition of the steel and the slag during the entire
treatment time.
Das dynamische Prozessmodell wurde an zwei
Gleichstromöfen und einem Drehstromofen online
installiert. Die modellgestützte, prozessbegleitende Beobachtung des aktuellen Zustands der
Schmelze unterstützt den Bediener bei der Einstellung der Zieltemperatur und der vorgegebenen
Stahlanalyse bei Abstich des Ofens. Aufgrund der
hohen Modellgenauigkeit bezüglich aktueller
Schmelzentemperatur (siehe Bild 106) und Kohlenstoffgehalt (siehe Bild 107) können diese Größen
zuverlässig erreicht werden.
The dynamic process model has been installed
on-line at two DC furnaces and one AC furnace.
Model-based observation of the current process
and melt status helps the operator to set the target
temperature and the specified chemical analysis
of the steel at furnace tapping. Due to the high
accuracy of the model regarding the current melt
temperature (see Fig. 106) and carbon content
(see Fig. 107), these parameters can be achieved
with a high level of reliability.
Darüber hinaus wurde an einem der beiden
Gleichstromöfen eine dynamische Steuerung der
Zufuhr von Nachverbrennungs-Sauerstoff unter
Einbeziehung einer kontinuierlichen Abgasanalyse
eingerichtet. Auf diese Weise kann das dynamische
Prozessmodell zur Steuerung der chemischen Energieeinträge verwendet werden und zur Verbesserung der Endpunktkontrolle beitragen. Hierdurch
sind eine signifikante Energieeinsparung und eine
Erhöhung des metallischen Ausbringens beim
Einschmelzprozess im Lichtbogenofen zu erwarten.
Furthermore, a dynamic control of the postcombustion oxygen feed rate, which incorporates
continuous analysis of the off-gas, was set up on
one of the two DC furnaces. The dynamic process
model can thus be used to control the chemical
energy input and help to improve the end point
control. This is expected to achieve significant
energy savings and an increase in the metallic
yield during the meltdown process in the electric
arc furnace.
Optimierte Prozessführung des Blasstahlkonverters auf der Basis eines dynamischen Prozessmodells
Optimised BOF process control based on a
dynamic process model
Zur Optimierung der Prozessführung des Sauerstoffblaskonverters wurde ein dynamisches Prozessmodell entwickelt, welches prozessbegleitend den
Behandlungsverlauf bzgl. der Zusammensetzung
von Stahl und Schlacke sowie der Schmelzentemperatur beobachtet.
A dynamic process model was developed to
optimise process control for BOF converters. The
model is used to monitor the process behaviour
regarding the composition of the steel and slag
as well as the melt temperature.
In einer Sauerstoffbilanz wird zunächst anhand
thermodynamischer Gleichgewichte und reaktionskinetischer Gleichungen bestimmt, welcher
Anteil des geblasenen Sauerstoffs jeweils für die
Oxidation metallischer Elemente wie Silizium,
Titan oder Mangan und nichtmetallischer Begleiter
An oxygen balance is computed first with the
help of thermodynamic equilibria and reactionkinetic equations to determine the percentages
of the blown oxygen that are consumed for the
oxidation of the different metallic elements, e.g.
silicon, titanium or manganese, and non-metallic
121
wie Phosphor sowie für die Nachverbrennung von
CO verbraucht wird. Daraus ergibt sich der Sauerstoffanteil, der für die Entkohlung zur Verfügung
steht. Wenn in der Endphase der Behandlung der
Kohlenstoffgehalt seinen thermodynamischen
Gleichgewichtswert nahezu erreicht hat, wird unter
Berücksichtigung einer Reaktionskinetik 1. Ordnung
die dann einsetzende Eisenverschlackung und die
damit einhergehende verstärkte Entphosphorung
berechnet. Sofern auch Abgasmesswerte zur Verfügung stehen, wird der Übergang in diese Endphase
des Blasprozesses mit dem dann charakteristischen
Abfall des CO-Gehalts im Abgas abgeglichen.
accompanying elements such as phosphorus, as
well as for the post-combustion of CO. This reveals
the percentage of oxygen which is available for
decarburisation. When the carbon content has
almost reached its thermodynamic equilibrium
during the final stage of the process, the iron slagging phase which then sets in and the associated
increased dephosphorisation are calculated under
the assumption of first-order reaction kinetics.
If off-gas measurement values are available, the
transition to this end phase of the oxygen blowing
process is aligned to the then characteristical
drop in the off-gas CO content.
Eine dynamische Energiebilanz zur Berechnung
der Stahltemperatur berücksichtigt den Energieeintrag durch Entkohlung und Metallverschlackung,
den Einschmelz-Energiebedarf der chargierten
Schrotte, Schlackenbildner, Heiz- und Kühlmittel, die
Energieverluste über Abgas, Staub, Abstrahlung und
Konverterwand sowie die Energie zum Aufheizen
der Schmelze auf die jeweilige Temperatur. Damit
ist eine verlässliche Bestimmung des Endpunktes
der Behandlung möglich, sowohl hinsichtlich der
Entkohlung, als auch der Entphosphorung und der
einzustellenden Stahltemperatur. Dies konnte in
einer on-line Anwendung des Prozessmodells in
A dynamic energy balance for calculating the
steel temperature takes into account the energy
input due to decarburisation and metal slagging,
the smelting energy demand of the charged scrap
types, slag formers, heating and cooling agents,
and the energy losses through off-gas, dust, radiation and heat conduction, as well as the energy
to heat up the melt to the required temperature.
It is thus possible to reliably determine the end
point of the process regarding decarburisation,
dephosphorisation and the target steel temperature. This has been successfully tested in practice
in an on-line application of the process model
Bild / Figure 108
Eingangsdaten des Konvertermodells und simulierter Behandlungsverlauf einer Beispielschmelze bzgl. Temperatur sowie Kohlenstoff- und Phosphorgehalt
Input data of the converter model and simulated process behaviour of a BOF melt with temperature as well as carbon and phosphorus content
122
Kombination mit einer laserbasierten schnellen
Abgasanalyse bereits erfolgreich erprobt werden.
Das dynamische Prozessmodell lässt sich darüber
hinaus auch im Rahmen von Vorausberechnungen
zur dynamischen Korrektur von Sollwerten für
den Sauerstoff- und Spülgasdurchfluss sowie die
Zugabe von Schlackenbildnern, Kühl- und Heizmitteln einsetzen.
in combination with a laser-based fast off-gas
analysis. The dynamic process model can also be
used in a prediction mode for dynamic correction of set-points for the oxygen and stirring gas
flow rate, the addition of slag formers, as well as
cooling and heating agents.
Bild 108 zeigt exemplarisch den simulierten
Behandlungsverlauf einer Beispielschmelze bzgl.
Temperatur und Kohlenstoff- sowie Phosphorgehalt.
Die Genauigkeit des Prozessmodells liegt bei einer
Standardabweichung des Modellfehlers von etwa
18 K für die Schmelzentemperatur, ca. 90 ppm
für den Kohlenstoffgehalt und 30 ppm für den
Phosphorgehalt im Stahl, sowie etwa 3 % für den
Eisenoxidgehalt in der Schlacke.
Fig. 108 shows an example of the simulated
process behaviour of a melt with respect to
temperature as well as carbon and phosphorus
content. The accuracy of the process model as
given by the standard deviation of the model
error is about 18 K for the melt temperature,
approx. 90 ppm for the carbon content and
30 ppm for the phosphorus content in the steel, and
about 3 % for the iron oxide content in the slag.
Modellbasierte multi-kriterielle Optimierung der
Prozessführung in der Sekundärmetallurgie
Model-based multi-criteria optimisation of
process control in secondary metallurgy
Zur on-line Überwachung und Steuerung der
Prozesse in der Sekundärmetallurgie wurden dynamische Modelle der wichtigsten metallurgischen
Operationen entwickelt und in ein prozessstufenübergreifendes Gesamtsystem integriert.
Dynamic models for the most important
metallurgical operations were developed and
integrated into a through-process overall system
for online monitoring and control of the processes
in secondary metallurgy.
Auf Basis der Modellrechnungen in Kombination mit Messresultaten werden die wesentlichen
Qualitätsparameter (Temperatur und Zusammensetzung der Stahlschmelze, insbesondere hinsichtlich
Schwefel-, Stickstoff- und Wasserstoffgehalt, sowie
Schlackenbilanz und Reinheitsgrad der Schmelze)
Based on model calculations combined with
measurement results, the key quality parameters
(temperature and composition of the steel melt,
in particular the sulphur, nitrogen and hydrogen
content, as well as the slag balance and cleanness of
the melt) are continuously observed and predicted
Bild / Figure 109
Modelle und deren Wechselwirkungen für prozessstufenübergreifende on-line Qualitäts-Überwachung und darauf basierende Optimierung der
Prozessführung
Models and their interactions for through-process on-line quality monitoring and associated optimisation of process control
123
kontinuierlich beobachtet und für das Ende der
Behandlung vorhergesagt. Die Vorhersage beruht auf
den aktuell vorgegebenen Verfahrensvorschriften
für die jeweils noch ausstehenden Behandlungsschritte. Bei Abweichungen der prognostizierten
Werte für die Qualitätsparameter von den geplanten
Zielwerten werden entsprechende Anpassungen
der Verfahrensvorschriften und Sollwerte zur
Prozesssteuerung berechnet, um die angestrebte
Qualität möglichst kostengünstig bei minimaler
Behandlungsdauer zu erreichen.
for the end point of the treatment. The prediction
is based on the currently set practice data for the
treatment steps that are still to be carried out. If
the predicted values for the quality parameters
deviate from the planned target values, the practice
data and involved set points for process control
are adapted accordingly in order to achieve the
desired quality at the lowest possible costs and
with minimal treatment time.
Bild 109 stellt die einzelnen ineinandergreifenden
Modelle dar, die im Rahmen eines prozessstufenübergreifenden on-line Qualitäts-Monitors für
ein Elektrostahlwerk mit Pfannenöfen, Vakuumentgasungsanlagen und Argon-Spülstand implementiert worden sind. Sie werden auch für die
Vorhersagerechnungen auf Basis der aktuellen oder
der im Rahmen der multi-kriteriellen Optimierung
variierten Verfahrensvorschriften benutzt. In einem
ersten Ansatz wurde das System genutzt, um die
Zieltemperatur sowie die Zielgehalte von Kohlenstoff
und Stickstoff am Ende der Behandlung auf der
Elektrostahlroute unter optimalen Bedingungen
zuverlässig einzustellen.
Fig. 109 gives an overview of the particular
models with their interrelations that have been
implemented in a through-process on-line quality
monitor for an electric steelmaking plant with
ladle furnaces, vacuum degassing equipment and
an argon stirring station. They are also used for
predictive computations based on the current
practice data or the practice data modified by the
multi-criteria optimisation. In a first approach,
the system was used for reliable adjustment of
the target temperature and the target contents
of carbon and nitrogen at the end of treatment
in the electric steelmaking route under optimal
conditions.
Entwicklung einer modellbasierten Prozessführung für die VOD-Behandlung
Development of a model-based process control
system for VOD treatment
Zur on-line Beobachtung und Steuerung des VODProzesses, der der Entkohlung von hochlegierten Stahlqualitäten unter Vakuum dient, wurde ein dynamisches
A dynamic process model was developed for
on-line monitoring and control of the VOD process
for decarburisation of high-alloyed steel grades
Bild / Figure 110
Konzept für eine modellbasierte dynamische Prozessführung für die VOD-Anlage
Concept for model-based dynamic process control for the VOD plant
124
Prozessmodell entwickelt. Es berechnet zyklisch die
aktuelle Schmelzentemperatur sowie Gewicht und
Zusammensetzung von Stahl und Schlacke.
under vacuum. The model cyclically calculates
the current melt temperature and the weight
and composition of steel and slag.
Das Modell basiert auf dynamischen Energieund Massenbilanzen. In einer Sauerstoffbilanz
wird während der Oxidationsphase der Verbrauch
des eingebrachten Sauerstoffs für die Entkohlung
und den Abbrand von metallischen Elementen
anhand der thermodynamischen Gleichgewichtsbedingungen und reaktionskinetischer Gleichungen
berechnet. Nach Abschluss der Entkohlung verfolgt
das Modell den weiteren Behandlungsverlauf zur
Desoxidation, Chromoxid-Reduktion, Entstickung
bzw. Aufstickung und Entschwefelung.
The model is based on dynamic energy and mass
balances. In an oxygen balance, the consumption
of the injected oxygen for decarburisation and
combustion of metallic elements is computed
during the oxidation phase from the thermodynamic equilibrium conditions and reactionkinetic equations. Once decarburisation has been
completed, the model monitors the subsequent
process behaviour for deoxidation, chromium
oxide reduction, nitrogen removal or pick-up
and desulphurisation.
Die Standardabweichung des Modellfehlers
beträgt für die Schmelzentemperatur etwa
20 K, die Entkohlung ca. 60 ppm, die Entstickung
ca. 35 ppm und die Entschwefelung etwa 10 ppm.
Auf der Basis einer Vorausberechnung des Prozessverhaltens werden zur Aufrechterhaltung einer
maximalen Entkohlungsrate bei gleichzeitig minimaler Chromverschlackung optimale Zeitpunkte
zur Absenkung des Gefäßdrucks sowie ein dynamischer Sollwert für den Sauerstoffdurchfluss
bestimmt. Dabei berücksichtigt das Modell auch das
Einbringen von Sauerstoff über Einblasen von Feststoffen wie Zunder. Bild 110 zeigt, wie die modellbasierte Beobachtung und Vorausberechnung des
Schmelzenzustands in eine dynamische Berechnung
optimaler Sollwerte für die VOD-Prozessführung
eingehen.
The standard deviation of the model error is
about 20 K for the melt temperature, about 60 ppm
for decarburisation, about 35 ppm for nitrogen
removal, and about 10 ppm for desulphurisation.
Based on a prediction of the process behaviour the optimal time points for lowering the
vessel pressure and a dynamic set-point for the
oxygen blowing rate are determined to maintain
a maximum decarburisation rate while keeping
chromium slagging to a minimum. The model also
takes into account the introduction of oxygen via
injection of solids like scale. Fig. 110 shows how
the model-based monitoring and prediction of the
heat state are utilised in dynamic calculations of
optimal set-points for VOD process control.
Bild / Figure 111
Bedienoberfläche des BFI-Systems zur online Beobachtung und Regelung des Spülens und Entgasens wäh-rend der VD-Behandlung
User interface of the BFI system for online mointoring and control of stirring and degassing during the VD process
125
Im Rahmen einer ersten Anwendung des Modells
mit seinen Beobachtungs- und Steuerungsfunktionen konnten an einer VOD-Anlage signifikante
Kosteneinsparungen für Energie, Prozessgase, Reduktionsmittel und Zuschlagstoffe erzielt werden.
Darüber hinaus wurde das Modell erfolgreich
zur Prozessführung an einer VD-Anlage mit einer
Vorrichtung zum Einblasen von – im Vergleich
zum VOD-Verfahren – kleineren Sauerstoffmengen
über eine Handlanze in Betrieb genommen. Dies
ermöglicht dort eine kostengünstige Erweiterung
des Produktspektrums auf hochchromhaltige Stahlgüten mit niedrigen Kohlenstoffgehalten.
A first application of the model with its monitoring and control functions on a VOD plant
resulted in significant cost savings on energy,
process gases, reducing agents and additives. In
addition, the model has been successfully implemented for process control in a VD plant equipped
for injecting oxygen at a smaller feed rate than
in the VOD process by means of a manual lance.
This has resulted in a cost-efficient expansion of
the product spectrum of the VD plant to include
high-chromium steel grades with low carbon
content.
Verbesserung der Vakuumentgasung durch online
Messtechnik und dynamische Modellierung zur
Erfassung und Regelung des Pfannenspülens
Improvement of vacuum degassing by means of
online measuring technology and dynamic modelling to record and regulate ladle stirring
Der Pfannenstandentgasungs- oder VD-Prozess
wird zur Entfernung von Kohlenstoff, Wasserstoff,
Stickstoff und Schwefel aus der Stahlschmelze
eingesetzt. Die Leistungsfähigkeit dieser metallurgischen Operationen sowie der Verlauf der
Schmelzentemperatur während der VD-Behandlung
werden dabei maßgeblich durch die Intensität
des Pfannenspülens der Schmelze beeinflusst.
Aufgrund einer unzureichenden Spülintensität,
die in der Regel manuell vom Bediener eingestellt
wird, kommt es häufig zu Fehlchargen, bei denen
die Qualitätsanforderungen nicht erreicht werden.
The vacuum ladle tank degassing or VD process
is used to remove carbon, hydrogen, nitrogen and
sulphur from the steel melt. The performance
of these metallurgical operations and the melt
temperature profile during the VD treatment
are influenced to a major extent by the intensity
with which the melt is stirred. If the stirring
intensity, which is generally set manually by the
operator, is insufficient, this can often result in
poor-quality batches.
Zur Ermittlung der Spülintensität wird die
Schmelzbadoberfläche während der Vakuumentgasung mit einer Infrarotkamera beobachtet.
Mittels einer geeigneten online Bildverarbeitung
wird die Wirksamkeit des Prozesses hinsichtlich
der tatsächlichen Spülintensität bewertet. Diese
Information wird als zusätzliche Eingangsgröße für
ein vom BFI entwickeltes dynamisches Modell zur
on-line Beobachtung des aktuellen Prozesszustands
genutzt. Dadurch lässt sich die Zuverlässigkeit in
der Vorhersage der Gehalte von Wasserstoff, Stickstoff, Kohlenstoff, Schwefel sowie der Schmelzentemperatur deutlich verbessern.
To determine the stirring intensity, the melt
bath surface is monitored by an infrared camera
during vacuum degassing. With the help of suitable online image processing, the effectiveness
of the process is assessed in terms of the actual
stirring intensity. This information is utilised
as an additional input variable for a dynamic
model developed by BFI for online monitoring
of the current process state. This considerably
improves the reliability of predictions regarding
the hydrogen, nitrogen, carbon and sulphur
content and the melt temperature.
Bild 111 zeigt die Bedienoberfläche des Gesamtsystems. Im linken Teil wird die aus der Bildverarbeitung ermittelte aktuelle Größe des Spülflecks
(gelb eingefärbt) visualisiert. Rechts unten wird der
Verlauf der Spülfleckgröße dargestellt. Das Ergebnis
der Modellrechnungen hinsichtlich des aktuellen
Wasserstoffgehalts und der bisher aufgelaufenen
Temperaturverluste wird rechts oben angezeigt.
Fig. 111 shows the user interface of the overall
system. In the left part of the illustration, the current
size of the open eye (coloured yellow) is visualised
as determined from the image processing system.
The progression of the open eye size is shown at the
bottom right. The results of the model computations regarding the hydrogen content at that time
and the temperature losses that had occurred up
to that point are shown at the top right.
126
Das System dient zur Realisierung einer geschlossenen Regelung des Entgasungsprozesses, um für
jede Schmelze eine optimale Spülintensität zu
gewährleisten.
The system serves to build a closed-loop control
for the degassing process, in order to assure the
optimal stirring intensity for each melt.
Qualitätsbasiertes Planungsassistenzsystem für
Edelstahlwerke
Quality-based planning assistant system for
stainless steel mills
Die Produktionsplanung in einem Stahlwerk ist
ein hoch komplexer Vorgang der entscheidend
die Produktivität, die Kosten und die Qualität
beeinflusst. In den verfügbaren kommerziellen
Systemen gibt es zurzeit 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 is up to now no
provision 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 Aggregate ergeben
kann, muss auch der Anlagendurchsatz in der
mehrdimensionalen Optimierung berücksichtigt
werden. Ähnlich einer Stauumfahrung beim AutoNavigationssystem, liefert das Planungsassistenzsystem auch die nächstbesten Produktionsrouten
bzw. das globale Optimum (siehe Bild 112).
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 eventually
could result in overloading of the equipment, the
plant through-put must 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. 112).
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.
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.
Bild / Figure 112
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
127
Unterstützung des Störungsmanagements beim
Warmwalzen von Langprodukten
Assistance system for disturbance management
during hot rolling of hot long products
Bei Unterbrechungen im Warmwalzprozess kühlen
die Langprodukte ungleichmäßig ab. Insbesondere
bei komplexen Geometrien ist es unklar, ob noch
alle dünnen Bereiche der Geometrie ausreichend
heiß für die sichere Weiterverarbeitung sind.
In case of stoppages during hot rolling, long
products cool down in a non-homogeneous way.
Especially for complex geometries it is unknown,
if all thin areas of geometry are hot enough for
further processing.
Für diese Problemstellung wird ein automatisches
Assistenzsystem zur Unterstützung der Anlagenfahrer entwickelt. Die kontinuierliche Überwachung
der Oberflächentemperatur von Langprodukten
während eines Warmwalzprozesses wird i.d.R. mit
stationären Strahlungspyrometern realisiert. Diese
Temperaturinformationen sind nicht ausreichend.
Um für komplexe Geometrien profilierter Halbzeuge
eine verbesserte Aussage zum Temperaturprofil zu
treffen, wird im Rahmen eines Verbundprojektes
ein adaptiver Berechnungsalgorithmus entwickelt.
Ausgehend von der Ziehtemperatur wird über
den Nutzgutquerschnitt das Temperaturprofil für
den gesamten Walzprozess berechnet und mit
betrieblichen Pyrometermessungen abgeglichen.
An assistance system will be developed to support
plant operators. Continuous monitoring of the
surface temperature of long products during a hot
rolling process is generally done using steady-state
radiant pyrometers. This temperature information does not suffice to calculate material-specific
properties. In order to determine the temperature
profile more accurately for complex geometries
of sectional semi-finished products, an adaptive
calculation algorithm is being developed as part of
a collaborative project. Starting with the drawing
temperature, the temperature profile across the
rolling stock cross-section is computed for the
entire rolling process and compared with measurements obtained with the installed pyrometers.
Dabei wird auch der Energieeintrag durch die
Umformung an den Walzgerüsten berücksichtigt.
Als Ergebnis liefert das Assistenzsystem in Echtzeit
die Temperaturgradienten über den Querschnitt
des Nutzgutes (siehe Bild 113).
These computations also take into account the
energy transfer into the material during deformation in the rolling mill stands. The assistance
system delivers the temperature gradients over
the rolling stock cross-section in real time (see
Fig. 113).
Damit hat der Anlagenfahrer eine gute Entscheidungsgrundlage, ob eine Weiterverarbeitung noch
möglich ist oder nicht.
By using this system the operator has got a good
decision support whether a further processing
is possible or not.
Bild / Figure 113
Beispiel einer berechneten Temperaturverteilung eines profilierten Walzgutes in der Warmwalzstrasse
Example of the computed temperature distribution in profiled rolling stock in the hot rolling mill
128
Optimale Festigkeitsregelung durch individuelle
Einstellung der Kühlstrecke in Warmbandwalzwerken basierend auf Modellprädiktion und
online-Messung der Festigkeit
Optimal strength control through selective
adjustment of the cooling line in hot strip rolling mills based on model prediction and online
strength measurements
Eines der wesentlichen Qualitätsmerkmale von
warm gewalztem Stahlband ist ein gleichmäßiger
Verlauf der mechanischen Eigenschaften innerhalb
enger Toleranzen über der gesamten Bandlänge.
Traditionell ermittelt man die Materialeigenschaften
anhand von Proben, die am Bandanfang und am
Bandende genommen werden. 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 Mitte des aufgewickelten Coils
langsamer abkühlt als an der Coiloberfläche. 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
steelstrip 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 timeconsuming. 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 than 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 innovative 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. In Simulationsstudien hat das neue
Regelungssystem bereits seine Leistungsfähigkeit
gezeigt. Es erfolgt derzeit die Erprobung an der
Anlage.
Online measurement of material properties
(e.g. strength and yield stress) enables new and
innovative processes for efficient regularisation
and improvement of the material properties over
the entire coil length. TBFI developed a through
process tensile strength control system to ensure
smaller deviations of material properties. In simulation studies the new control system proved it’s
efficiency. Actual the implementation at a plant
is running.
Bild / Figure 114
Festigkeitsregelung über die Optimierung der Kühlstrecken in Warmbandstraßen
Strength control via optimisation of cooling zones in hot strip mills
129
Zur Erreichung der Projektziele werden Modelle
entwickelt, die die Prozessstufen in ausreichender
Genauigkeit beschreiben. Eine schrittweise lernende
Optimierungsstrategie, die die Kühltrajektorien an
der Kühlstrecke beieinflußt sorgt für eine kontinuierliche Qualitätsverbesserung (Bild 114).
To achieve the project goals, models are being
developed which describe the process stages in
sufficient accuracy, with an optimisation strategy
for learning step by step that adapts the cooling
trajectories on the cooling line (Fig. 114).
Prozessstufenübergreifende integrierte Planheitsund Festigkeitsregelung
Through-process integrated shape and strength
control
Die Anforderungen von Flachprodukten 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 Zugfestigkeit und Streckgrenze,
eingehalten werden.
The demands made on flat products regarding
flatness and material 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
mehreren Stellen. In Abhängigkeit der chemischen
Zusammensetzung 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.
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, the grain size is adjusted during rolling,
while the crystalline structure is adjusted as the
material cools on the cooling line.
Bild / Figure 115
Festigkeitsregelung über die Optimierung der Kühlstrecken in Warmbandstraßen
Strength control via optimisation of cooling zones in hot strip mills
130
Standard Temperaturtrajektorien zur Einstellung
der Materialeigenschaften führen oft zu großen
Unplanheiten. Umgekehrt würde eine alleinige
Konzentration auf die Planheit nicht die benötigten
Materialeigenschaften liefern. Bild 115 b) verdeutlicht diese Problematik und stellt die Projektidee,
der integrierten Regelung von Planheit und Materialeigenschaften, dar. Ziel des Projektes ist also
eine Temperaturtrajektorie im ZTU-Diagramm zu
finden, die gleichzeitig gute Materialeigenschaften
und eine gute Planheit liefert.
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. Fig. 115 b) illustrates this
problem and explains the project idea of integrating shape and material properties into one
control strategy. The aim of the project is to find
a temperature trajectory in the TTT diagram that
simultaneously delivers good material properties
and a good flatness.
In diesem Projekt wird der Zusammenhang
zwischen Planheit und Materialeigenschaften
weiter untersucht. Es wird eine prozessstufenübergreifende Regelungsstrategie für Warm- und
Kaltwalzwerke entworfen und umgesetzt, welche
gleichzeitig die Planheit und die Materialeigenschaften optimiert. In Bild 115 (a) sind die beiden
Prozessstufen dargestellt.
In this project, the relationship between flatness and material properties is being further
investigated. The intention is to design and
implement a through-process control strategy
for hot and cold rolling mills that will be capable
of optimising both flatness and material properties at the same time. Fig. 115 a) shows the two
process stages.
Das Betriebsforschungsinstitut hat hier den
Schwerpunkt der Optimierungen auf den Bereich
vom Warmwalzwerk bis zur Beize gelegt. Die
Prozessstufen vom Kaltwalzen bis zum Glühen
bearbeiten andere Projektpartner. Außerdem wird
ein Modul entwickelt, welches die Kommunikation
und Optimierung zwischen den beiden Bereichen
ermöglicht.
Es werden verschiedene Modelle entwickelt, die
das Verhalten der Prozessstufen in ausreichender
Genauigkeit beschreiben. Dieser integrierte Modellansatz bildet die Basis für die schrittweise lernende
Optimierungsstrategie, welche neben den Tempera-
BFI is focusing on the optimisation from the hot
rolling mill to the pickling line. The processes from
cold rolling to annealing are being handled by
other project partners. In addition, a module will
be developed that will enable communication and
optimisation between these two different areas.
As part of the project, various models will be
developed in order to describe the behaviour
of the process stages with a sufficient level of
accuracy. This integrated modelling approach
forms the basis of the incrementally learning
optimisation strategy which considers not only
the temperature trajectories of the cooling line
Bild / Figure 116
Ermittelte Walzkraftgrenzen in Abhängigkeit von Banddicke und Bandbreite.
Roll force limits determined as a function of strip thickness and width
131
turtrajektorien der Kühlstrecke auch die Planheitsstellglieder der Warmbandstraße mit einbezieht.
but also the flatness control actuators of the hot
rolling mill.
Zukunftsweisende Steuerung und Optimierung
des Kaltwalzprozesses für Reversiergerüste
Future-oriented control and optimisation of the
cold rolling process in reversing mills
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.
Bild / Figure 117
Beispielstichplan
Sample pass schedule
Bild / Figure 118
Position der Balligkeitsanstellung für eine typische Walzsituation. Istzustand (graue Balken); Balligkeit Antriebswalzen um 100 µm erhöht (rote
Balken)
Position of the roll crown adjustment in a typical rolling situation. Current position (grey bars); crown of driver rolls raised by 100 µm (red bars)
132
Zur Berücksichtigung der Bandplanheit wurde
vom BFI ein Programm entwickelt, welches anhand
von gemessenen Prozessdaten 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
(Bild 116).
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 is assured. The roll force limits are
determined by considering the strip thickness and
width of the rolling stock as well as the control range
limits of the flatness control actuators (Fig. 116).
Durch Kenntnis der Walzkraftgrenzen für eine
bestimmte Banddicke können die Stichabnahmen
der einzelnen Stiche nun so gewählt werden, dass
eine gute Bandplanheit in allen Stichen gewährleistet ist.
Knowing the roll force limits for a particular strip
thickness makes it possible to select the degree
of reduction in each individual pass to ensure
that good strip flatness is achieved in all passes.
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.
Exemplarische Berechnungen haben gezeigt, dass
eine Steigerung der Produktionsleistung von 20 %
erzielt werden kann.
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. Sample calculations have shown that it is
possible to reach a 20% increase in production
output.
Um die praktische Anwendbarkeit des neuen
Berechnungsverfahrens zu prüfen, wurde eine Reihe
von Walztests durchgeführt. Hierbei konnten alle
Bänder ohne Planheitsprobleme und ohne manuelle Korrekturen entsprechend dem berechneten
Stichplan gewalzt werden (Beispielstichplan siehe
Bild 117). In order to check the applicability of the new
computing technique in the field, a number of
rolling tests were conducted. All of the coils were
rolled according to the computed pass schedule
without any flatness problems and without any
manual corrections (see sample pass schedule
in Fig. 117).
Zur Optimierung der Walzengeometrie wird zur
Zeit 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 bei der Ermittlung der idealen Walzenballigkeit für die Antriebs- und Schleppwalzen.
To optimise the roll geometry a program is being
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.
In Bild 118 ist beispielhaft dargestellt, wie sich die
Position der Balligkeitsanstellung für eine typische
Walzsituation verbessert, wenn die Balligkeit der
Antriebswalzen um 100 µm erhöht würde. Die
grauen Balken zeigen dabei die aktuelle Balligkeitsanstellung, wobei hier bereits 40% des verfügbaren
(positiven) Stellbereiches benötigt werden. Durch die
Erhöhung der Balligkeit der Antriebswalzen würde
sich für diese typische Walzsituation eine neutrale
Fig. 118 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 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 would result in a
133
Position für die Balligkeitsanstellung ergeben (rote
Balken) und somit eine deutliche Erhöhung des
zur Verfügung stehenden Stellbereiches. neutral position for roll crown adjustment (red
bars) and thus significantly increase the available
adjustment range.
Die entwickelten Modelle und Methoden sind
bzw. werden zur Zeit in das BFI-Prozessoptimierungssystem (POS) integriert. Das BFI-Prozessoptimierungssystem wurde bereits weltweit an vielen
Walzanlagen installiert und hat sich in der Praxis
bewährt.
The developed models and methods have been
or are currently being integrated into the BFI
process optimisation system (POS). The BFI process
optimisation system has already been installed
on many rolling mills around the world where
it has proved its worth in practice.
Entwicklung einer teilautomatisierten Biegerichtmaschine für plattenförmige Blechbauteile als
geregeltes mechatronisches System
Development of a partially automated straightening machine for plate-shaped metal components
as a mechatronic system with closed-loop control.
Bei der Fertigung plattenförmiger Bauteile können
durch Wärmebehandlungen oder das abschließende
Zuschneiden nach dem Walzen lokale plastische
Verformungen entstehen. Die folgende Begradigung
dieser Unebenheiten durch den Richtvorgang spielt
daher eine wichtige Rolle.
Der aktuelle, bei Industriepartner weitgehend
manuell durchgeführte Richtprozess ist dabei kaum
reproduzierbar, da er sehr von der Erfahrung des
ausführenden Mitarbeiters abhängt. Weiterhin ist
der Arbeitsvorgang mit schwerer körperlicher Arbeit
und einem hohen Unfallpotential verbunden. Man
kann sich außerdem vorstellen, dass der manuelle
Richtvorgang bei dieser Richtanlage die Größe der
plattenförmigen Bauteile beschränkt. In Bild 119
ist die CAD-Zeichnung der Richtanlage mit dem
Richtkoordinatensystem zu sehen.
Eine Teilautomatisierung des Richtvorgangs ermöglicht die Einhaltung der zulässigen Formabweichungen
When plate-shaped components are produced,
plastic deformations may arise as a result of heat
treating or cutting to size after rolling. The subsequent straightening process to eliminate such
deformations is therefore of key importance.
The largely manual straightening process
currently in place at industrial partner is hardly
reproducible since it depends very much on the
experience of the machine operator actually
performing the job. Moreover, the operation
involves strenuous physical work with a high
accident risk. It is also easy to imagine that manual
straightening on this machine will restrict the size
of the plate-shaped components. Fig. 119 shows
the CAD drawing of the straightening machine
with its coordinate system.
Partial automation of the straightening procedure will make it possible to keep within the shape
Bild / Figure 119
Topographiedaten einer Platte nach dem ersten (links) und nach dem letzten Richtvorgang (rechts)
Topographical data of a plate after the first (left) and after the final (right) straightening process
134
der Bleche unabhängig von den „handwerklichen“
Fähigkeiten und der „Tagesform“ des Mitarbeiters
und reduziert den Anteil der körperlichen Arbeit.
Eine Sortimentsvergrößerung, mit der Möglichkeit
größere Platten zu verarbeiten, ist auch denkbar.
tolerances for the plates irrespective of employees’
“workmanship skills” and “form on the day” as
well as reducing the amount of physical work
required. It is also conceivable that the size range
of processable parts could be expanded.
Die vom BFI und dem Industriepartner erarbeitete Lösung umfasst die Implementierung zweier
Regelkreise. Das BFI beschäftigt sich mit der Adaption einer automatisierten Richtstrategie, dem
Technologieregelkreis.
The solution devised by BFI and the indsutrial
partner includes the implementation of two control
loops. BFI will focus on adapting an automatic
straightening strategy, the technology control loop.
Ein TopPlan®-Messsystem übergibt dem Technologieregelkreis am Anfang jedes Richtvorgangs die
Topographiedaten der aktuellen Platte. Auf Grundlage dieser Daten, wird die optimale Richtstrategie
gewählt.
A TopPlan® measuring system supplies topographical data of the current plate to the technology control loop at the beginning of each
straightening procedure. The optimal straightening
strategy is chosen on the strength of these data.
In Bild 120 sind die von TopPlan® erfassten Topographiedaten in Falschfarbendarstellung einer
Platte zu sehen. Diese wird virtuell vom restlichen
Hintergrund separiert und im Koordinatensystem
des Richttisches dargestellt. Die Aufnahme im linken
Teilbild zeigt die Platte vor dem ersten Stempelvorgang. Auf dem rechten Teilbild ist dieselbe Platte
nach 31 Stempelvorgängen zu sehen. Dabei werden
negative (blau) oder positive (rot) Abweichungen
von der TopPlan® Referenzebene einfach sichtbar.
Der Richtvorgang sollte also erst beendet werden,
wenn die Gesamtabweichungen der Platte im grünen
oder leicht gelb bis türkisen Bereich liegt, um die
vorgegebenen Toleranzgrenzen einzuhalten.
Fig. 120 shows a false-colour image of the topographical data of a plate as recorded by TopPlan®.
This is separated from the remaining background
and visualised in the coordinate system of the
straightening table. The scan on the left shows
the plate before the first straightening ram pass.
The right-hand illustration shows the same plate
after 31 straightening ram passes. Negative (blue)
or positive (red) deviations from the TopPlan®
reference plane are easily visible. To comply with
the specified tolerance limits, the straightening
process should be continued until all deviations
in the plate are in the green or slightly yellow
to turquoise range.
Die Nummern im Zusammenspiel mit den Kreisen,
die auf der Platte sichtbar sind, symbolisieren die
The numbers and the circles that can be seen
on the plate symbolise the positions of the ram
Bild / Figure 120
Biegerichtmaschine mit Ebenheitsmesssystem
Straightening machine with coordinate system
135
Positionen der noch zu tätigen (rot) und schon
getätigten (grün) Stempelvorgänge. Ein manueller
Eingriff bzw. Richtprozess ist trotzdem möglich.
Dieser erfolgt weiterhin bei sehr stark verformten
Platten.
Dabei unterstützt eine LabView-Oberfläche den
Mitarbeiter visuell. Sie zeigt die aktuelle Stempelposition, sowie die momentane Plattentopographie an.
passes still to be executed (red) and those that
have already been performed (green). Manual
intervention in the straightening process is nevertheless possible, and this is still done in the case
of excessively deformed plates.
Here, a LabView user interface provides visual
support for the machine operator. It shows the
current ram position as well as the current plate
topography.
Objekterkennung auf der Basis von Bild- bzw.
Videoauswertungen
Object recognition based on image and video
analysis
Moderne Methoden aus dem Bereich der intelligenten Bildauswertung werden in verschiedenen
Projekten des BFI zur Zustands-, Positions- oder
allgemein zur Datenerfassung angewandt. In
der stahlverarbeitenden Industrie werden diese
Systeme in erster Linie an Orten verwendet, an
denen aufgrund der Messaufgabe der Einsatz anderer
Sensoren nicht möglich ist.
Modern methods of intelligent image analysis
are used in various projects of BFI for recording
condition, position or data in general. In the steel
processing industry, these systems are primarily
employed in locations where the use of conventional sensors is not possible because of the type
of measuring task.
So wurde z.B. in einem Projekt eine Erkennung
der Position von Brammen innerhalb eines Wärmofens entwickelt. Die Videosignale zweier optischer
Kameras werden permanent und in Echtzeit ausgewertet und daraus die genaue Position innerhalb
des Ofens berechnet. Mit der Hilfe dieser Auswertung können Schäden am Ofen durch den manuell
gesteuerten Eintrag neuer Brammen vermieden
werden.
In einem weiteren Projekt wurde die Güte einer
Entzunderungsanlage untersucht. Dazu musste das
In one project, for example, a system for detecting
the position of slabs within a reheating furnace
was developed. The video signals of two optical
cameras are analysed permanently and in real
time, allowing the precise position within the
furnace to be computed. This analysis makes
it possible to avoid damage to the furnace as a
result of the manually controlled introduction
of new slabs.
A further project studied the performance of
a descaling plant. This involved quantification
Bild / Figure 121
Videobilder heißer Brammen kurz nach der Entzunderung, links: Segmentierung großflächiger Zunderflächen, rechts Verteilung kleiner Zunderstellen
Video images of hot slabs shortly after descaling, left: segmentation of large-area black patches, right: distribution of smaller black patches
136
Entzunderungsergebnis quantifiziert werden. Es
wurde eine Videobildauswertung entwickelt, die
Zunderflecken auf der heißen Bramme erkennt
und deren Größe, bzw. Fläche, sowie deren Position
auf der Bramme berechnet (siehe Bild 121). Durch
Analyse dieser Daten kann eine Entzunderung
materialspezifisch optimiert werden.
of the descaling results. A video image evaluation was developed that detects black patches
on the hot slab and computes the size or area of
the patches and their location on the slab (see
Fig. 121). By analysing these data, the descaling
process can be optimised for each specific material.
Analyse und Optimierung der Performance von
Regelkreisen zur Erhöhung der Produktqualität
und Reduzierung des Energieverbrauches
Analysis and optimisation of the performance
of control loops to enhance product quality and
reduce energy consumption
Das Potential von Produktionsanlagen lässt sich
häufig durch optimierte Regelungen erschließen.
Dazu bietet sich die fortlaufende Überwachung
und Beurteilung der Performance der eingesetzten
Regler. Durch eine Parameternachstellung der
Basis- und der Prozessregelungen lassen sich als
Erfahrungswert zwischen 10 und 30% Verbesserung 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 122).
The potentials of production equipment can
often be utilized more fully by improving the
performance of closed-loop control systems.
This is best done by continuously monitoring
and assessing the performance of the controllers
used. Experience has shown that by readjusting
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. 122).
Das BFI verfügt über Verfahren und Werkzeuge
zur Regelkreisüberwachung (Control Performance
BFI has methods and tools for control performance monitoring which can be used to eval-
Bild / Figure 122
Prozedur zur datenbasierten Analyse und Optimierung der Performance von Regelkreisen
Procedure for data driven analyses and optimisation of the performance of control loops
137
Mess- und Automatisierungstechnik | Qualitäts- und Informationstechnik
Monitoring), mit denen die Bewertungen der Regelgüten für gelieferte Stichproben von Daten ermittelt
werden. Daraus können Vorschläge zur Verbesserung
der Reglerperformance erarbeitet werden. Mit dieser
Vorgehensweise wurden bereits Performanceanalysen
von Dicken- und Planheitsregelungen in Kaltwalztandem- und Dressierstraßen, von Temperaturregelungen in Glühlinien und Kühlstrecken und von einer
Treiberregelung durchgeführt. Die vorgeschlagenen
Verbesserungsmaßnahmen wurden umgesetzt und
führten zu Qualitätserhöhungen und Energieeinsparungen an den entsprechenden Anlagen.
uate the control performance for random data
sample 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 and on a driver control
system. The proposed improvement measures
are currently been implemented and have led
to quality enhancement and energy saving at the
respective plants.
Entwicklung eines integrierten Überwachungsund Lenkungssystems für Anlage, Prozess und
Produktqualität beim Stranggießen
Development of an integrated supervision and
steering system for plant, process and product
quality during continuous casting
Durch die enge Verzahnung der Prozessketten
in der Stahlindustrie müssen auch Qualitätssicherungssysteme diesem Umstand Rechnung tragen.
Daher werden in einem laufenden Forschungsvorhaben die verschiedenen Aspekte bearbeitet,
die für integrierte, prozessstufenübergreifende
Qualitätssicherungssysteme an Stranggießanlagen
notwendig sind. Durch die intelligente Auswertung
von Prozess- und Anlagendaten beim Strangguss
und die Verknüpfung mit Daten und Informationen vorhergehender Prozessstufen werden die
Stranggussprodukte hinsichtlich verschiedener
Qualitätsmerkmale online bewertet und somit die
Grundlage für eine stück- und zustandsangepasste
Process chains in the steel industry are closely
intermeshed, and quality assurance systems have
to take account of this fact. An ongoing research
project is therefore looking into the various aspects
that are required for integrated, through-process
quality assurance systems in continuous casting
plants. Through intelligent evaluation of process
and plant data during continuous casting and
linking these with data and information from
upstream process stages, continuous casting products are evaluated online according to different
quality features, thus creating a basis for unit- and
condition-specific post treatment and processing.
The necessary strategies to assure data reliability
Bild / Figure 123
Verarbeitsungskette des neuen integrierten, Prozess-, Anlagen- und Qualitätsüberwachungssystems
Workflow of the new integrated process, plant and quality supervision system
138
Measurement and Automation | Quality and Information Technology
Nachbehandlung und Verarbeitung geschaffen.
Notwendige Konzepte zur Datensicherheit (z.B. multivariate Plausibilitätsprüfung) und Modellansätze zur
Qualitätsbewertung (z.B. statistisch, modell- und
regelbasiert) werden entwickelt und getestet.
Bild 123 zeigt schematisch die Vorgehensweise,
bei der der untersuchte Schwerpunkt Strangguss
eingebettet ist in eine Kette mit den sekundärmetallurgischen Prozessen und den nachgeschalteten
Prozessen der Brammen- bzw. Knüppelnachbearbeitung und Weiterverarbeitung im Walzwerk.
(e.g. multivariate plausibility checks) and model
approaches for quality assessment (e.g. statistical,
model- and rule-based) are being developed and
tested.
Verbesserte Überwachung und Steuerung der
Oberflächenqualität von Flachstahl durch Nutzung der Ergebnisse von automatischen Oberflächeninspektionssystemen
Improved monitoring and control of the surface quality of flat steel by using the results of
automatic surface inspection systems
Die optimale Nutzung der Ergebnisse von automatischen Oberflächeninspektionssystemen scheitert
heutzutage teilweise noch an der Unzuverlässigkeit der Ergebnisdaten. In dem hier vorgestellten
Forschungsprojekt sollen nun zunächst Methoden
und Verfahren zur kontinuierlichen Überwachung
der Leistung der gesamten Verarbeitungskette der
Oberflächeninspektion (Beleuchtung, Kamera,
Fehlerdetektion, Fehlerklassifikation, etc.) entwickelt
und getestet werden. Die Ergebnisse einer solchen
Überwachung werden im online Fall entweder zur
Ableitung von Instandhaltungsmaßnahmen z.B.
The results of automatic surface inspections
cannot always be used in an optimal manner
today because of the unreliability of some of
the results obtained. In the research project
presented here, the first step will be to develop
and test methods and techniques for continuously monitoring the performance of the entire
surface inspection processing chain (lighting,
camera, defect detection, defect classification,
etc.). The results of this monitoring, if performed
online, will be used either to determine necessary
maintenance measures, e.g. realignment of the
Fig. 123 gives a schematic overview of the
approach showing continuous casting (the main
focus of the investigations) embedded in a chain
with upstream secondary metallurgy processes and
the downstream processes of slab or billet treatment and further processing in the rolling mill.
Bild / Figure 124
Konzept zur automatischen Ursachenanalyse über mehrere Prozessstufen mit drei Inspektionssystemen
Concept for automatic root cause analysis across several process steps with three inspec-tion systems
139
der Neuausrichtung der Beleuchtung oder zur
Anpassung der Berechnungsalgorithmen, z.B. des
Fehlerklassifikators, herangezogen.
Basierend auf den nun zuverlässigeren Daten
werden geeignete Key Performance Indices (KPI) der
Oberflächenqualität sowohl für jede Einzelanlage als
auch für die gesamte Anlagenkette berechnet. Diese
KPI’s bilden dann die Grundlage für verschiedene
Anwendungen zur Optimierung der Oberflächenqualität: Überwachung und Reporting, Fehlerursachenanalyse, Prozess- und Anlagenoptimierung
und verbesserte Materialzuteilung.
In dem Projekt wurden zunächst bestehende
Konzepte der Hersteller von Oberflächeninspektionensystemen erfasst und für die Datenauswertung
nutzbar gemacht. 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. Neben den bestehenden
Lösungen wurden auch neue Verfahren entwickelt,
die in der Lage sind, Probleme bei der Inspektion
aufzuzeigen. Die berechneten Oberflächen-KPI sind
produktiv im Einsatz und ermöglichen bereits jetzt
schneller und zielgerichteter auf Qualitätsprobleme
reagieren zu können, als es bisher der Fall war.
Aufbauend auf diesen Ergebnissen, wird das BFI
ein System zur automatischen Ursachenanalyse
implementieren, siehe Bild 124.
lighting, or to adapt the calculation algorithms,
e.g. for the defect classifier.
Integrierte, automatisierte und multi-variate
SPC-Lösung für die Prozessindustrie am Beispiel
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 Standardtechnik der Qualitätssicherung und es werden eine
Vielzahl von Softwarepaketen hierzu angeboten.
Dennoch gibt es kein System, dass 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 sind.
Ziel des Vorhabens ist die Entwicklung von
Statistical process control (SPC) is a standard
quality assurance technique in industry and is
offered in a large variety of software packages.
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 this is processrelated decision support, which
also requires to be taken into consideration when
using SPC techniques.
The aim of the project is to develop methods
to improve SPC and to combine it with decision
140
Based on the now more reliable data, suitable key
performance indices (KPIs) for surface quality will
be calculated for each individual installation and
for the entire machinery and equipment chain.
These KPIs will then form the basis for different
applications geared to the improvement of surface
quality: monitoring and reporting, defect cause
analysis, process and equipment optimisation,
and improved allocation of materials.
Project work initially focused on recording
existing strategies of the manufacturers of the
surface inspection systems and making these
usable for data evaluation. 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. Alongside the existing solutions,
new techniques capable of identifying problems
occurring during inspection were developed.
The calculated surface KPIs are being used in
a production environment and already enable
the staff to respond faster and more effectively
to quality problems than in the past. Building
on these results, BFI will implement a system
for automatic root cause analysis, see Fig. 124.
Methoden zur Verbesserung der SPC und deren
Kombination mit Verfahren der Entscheidungsunterstützung zu einem übergeordneten Qualitätssicherungssystem für die Prozessindustrie. Aufgabe
des zu entwickelnden Systems ist die Unterstützung
der Anlagenbediener und der Produktionsverantwortlichen. Die Kernpunkte der technologischen
Entwicklung sind
support techniques in order to create a higher
level quality assurance system for the process
industry. The system to be developed will have the
task of supporting plant operators and production
managers. The core features of the technological
development are:
– die Erweiterung der klassischen SPC um die
Möglichkeiten sowohl multi-variate Merkmale
zu definieren, automatisch zu berechnen und
mit Hilfe einer Regelkarte zu überwachen als
auch eine multi-variate Überwachung einer
Kombination von Merkmalen,
– den Betreiber des zu entwickelnden Systems bei
der Erstellung der Regelkarten zu unterstützen,
indem die notwendigen Voraussetzungen für
die Anwendung der SPC automatisch überprüft
werden sowie die Parameter der Regelkarten
anhand von historischen Daten automatisch
berechnet werden.
– 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 multivariate
monitoring of a combination of features,
Bild 125 zeigt die Struktur des zu entwickelnden
Qualitätssicherungssystems.
Fig.125 shows the structure of the quality
assurance system which is to be developed.
– 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.
Bild / Figure 125
Struktur des zu entwickelnden Qualitätssicherungssystems
Structure of the quality assurance system to be developed
141
Kontinuierliche Optimierung von Prozessen und
Anlagen der industriellen Produktion durch die
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 „schnellen“
Prozessen bedeutet „hohe Auflösung“ hierbei, dass
Abtastraten im Bereich von zweistelligen kHz erreicht
werden können. Eine besondere Herausforderung
ist die gleichzeitige und wirklich zeit-synchrone
Aufnahme einer Vielzahl von Messgrößen durch die
Messdatenerfassungssoftware. Nur auf diese Weise
können bei der späteren Auswertung der Daten die
korrekten Rückschlüsse auf Ereignisse im Prozess
und auf Abhängigkeiten der Messgrößen untereinander getroffen werden. Außerdem müssen die
erfassten Daten eindeutig den Produkten zugeordnet
und über lange Zeiträume gespeichert werden. Für
die Anwender von Messdatenerfassungssystemen
ergibt sich oftmals die Aufgabe, das Auftreten einer
Anomalie in den aktuellen Signalverläufen in den
historischen Daten zu suchen und zu identifizieren.
Durch das Auffinden ähnlicher Vorkommnisse in der
Vergangenheit lassen sich Rückschlüsse auf etwaige
Ursachen oder auf Reaktionen ziehen, die in der
Vergangenheit zu einer Lösung des Problems führten.
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. A special challenge is the
simultaneous and actually time-synchronous
recording of a large number of variables by the
measured value acquisition software. This is the
only way to reach the correct conclusions about
events in the process and interdependencies
between the measurement variables when later
evaluating the data. Moreover, the data recorded
must be unambiguously assigned to the products
and stored for long periods of time. 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. If similar events
are found in the past data, conclusions can be
drawn about possible causes or about reactions
that have helped to solve the problem in the past.
Bild / Figure 126
Wiedererkennung von Prozesssituationen in hochaufgelösten Prozessdaten
Recognition of process states in high-resolution data bases
142
Im Rahmen eines Forschungsprojektes wird das
BFI Konzepte und Methoden prüfen und anwenden,
die eine schnelle Suche von durch den Anwender
vorgegebenen Signalmustern in großen Datenbanken durchführt. Dabei muss eine ausreichende
Genauigkeit der Übereinstimmung von gegebenem
Muster und den Fundstellen gewährleistet sein.
Durch die Referenz auf in der Vergangenheit aufgetretenen, ähnlichen Prozesssituationen und die
damalig getätigten Reaktionen soll so eine optimierte Behandlung der vorliegenden Anomalie
unterstützt werden, siehe Bild 126.
In the course of a project, BFI will study and
apply strategies and methods that will allow
rapid searches in large databases to identify
signal patterns specified by users. There must
be a sufficient level of accuracy in the correlation
between the specified pattern and those found in
the data. The possibility to refer to similar process
situations that have occurred in the past and
consider the actions taken in response to these
will help users to deal more efficiently with the
anomaly they are currently facing, see Fig 126.
Wissensmanagement zur qualitätsbezogenen
Entscheidungsunterstützung
Knowledge management for quality-related
decision-making support
Zur Speicherung und Nutzbarmachung von
„Allgemeinwissen“ im Bereich der Stahlproduktion sowie des Wissens von erfahrenen Betriebsingenieuren stehen heutzutage neue Technologien
zur Verfügung. Im Rahmen eines derzeit laufenden
Forschungsprojektes beschäftigt sich das BFI intensiv
mit der Strukturierung des Wissens, dessen Archivierung sowie seiner Nutzbarmachung. Für das
eigentliche Wissensmanagement werden semantische Techniken in Form so genannter „Ontologien“ in Kombination mit „Regeln“ eingesetzt.
Bild 127 zeigt ein Beispiel einer solchen Ontologie
aus dem Bereich der Stahlproduktion, hier der
(vereinfachte) Zusammenhang zwischen Aluminiumabscheidung und Zusetzten des Tauchrohrs beim
Stranggießen, sowie die Zugriffsmöglichkeiten auf
die Wissensbasis.Als konkrete Anwendung dieser
New technologies are now available for storing
and making use of “general knowledge” in the
field of steelmaking as well as the knowledge of
experienced plant engineers. In a current research
project, BFI is working intensively on structuring
knowledge, archiving it and making it usable. For
knowledge management itself, semantic techniques are applied in the form of “ontologies”
in combination with “rules”. Fig. 127 shows an
example of such an ontology from the area of
steelmaking – in this case, the (simplified) relationships between separation of aluminium and
clogging of the submerged-entry nozzle during
continuous casting – and the options for accessing
the knowledge base.As a real-life application of
this technology, a system has been developed to
support the quality department in a steel plant.
Bild / Figure 127
Zugriff auf die Ontologie basierte Wissensbasis
Access to the Ontology based knowledge base
143
Technologie wurde ein System zur Unterstützung
der Qualitätsabteilung im Stahlwerk entwickelt.
Das Ziel ist es, den Mitarbeitern der Qualitätsabteilung eine Hilfestellung zu geben, bei der
Entscheidung über die weitere Verarbeitung von
Schmelzen bei denen die Soll-Analyse nicht eingehalten wurde. Hierzu werden beim Auftreten der
Problemfälle, die von den Mitarbeitern getroffenen
Maßnahmen und Aktionen systematisch erfasst
und automatisch mit den Prozessdaten verknüpft.
Anschließend wird das generierte Erfahrungswissen
in der Wissensdatenbank gespeichert. Auf diese
Weise entsteht eine Ansammlung von Erkenntnissen
bezüglich der Behandlung von Ausnahmesituationen.
Treten später ähnliche Fälle auf, ist das System in
der Lage diese automatisch zu erkennen und anhand
der bereits vorliegenden Erfahrungen Maßnahmen
vorzuschlagen.
The objective was to provide assistance to
quality department staff in deciding about how
to further process melts that did not comply
with the target chemical analysis. To do this,
the decisions and actions taken by the staff when
problems occur are systematically recorded and
automatically linked with the process data. The
generated empirical knowledge is then stored
in the knowledge database. This results in the
creation of a knowledge repository on how to
deal with exceptional situations. If similar cases
later occur, the system is capable of recognising
these automatically and proposing actions based
on the stored empirical data.
Unterstützung der Produktions- und Qualitätsverantwortlichen durch die automatisierte UrsachenWirkungsanalyse von Qualitätsschwankungen
Support of production and quality managers
through automated cause and effect analyses of
variations in quality
An das Qualitätsmanagement in modernen, Stahl
produzierenden Unternehmen werden immer höhere
Anforderungen gestellt. Die Ursachen von auftretenden Qualitätsschwankungen müssen schnellstmöglich erkannt und abgestellt werden. Dies soll von
einem möglichst breiten Anwenderkreis durchgeführt
werden können, ohne dass diese Personen detaillierte
Kenntnisse über die verwendeten Techniken (hier:
Data Mining Verfahren) haben müssen. In diesem
Projekt wurde eine Methodik entwickelt und realisiert, die es erlaubt, basierend auf der Datenbasis
The demands made on quality management in
modern steel producing companies are steadily
increasing. The causes of any variations in quality
must be identified and eliminated without delay.
It should also be possible for this to be done by
as large a circle of users as possible, without
these persons having any detailed knowledge of
the techniques used (in this case, data mining
). In this project a method was developed and
implemented which draws on the data contained
in a central, cross-facility process and quality
Bild / Figure 128
Softwarestruktur und Benutzeroberfläche des Diagnose-Werkzeugs
Software structure and user interface of the diagnosis tool.
144
einer zentralen, werksübergreifenden Prozess- und
Qualitäts-Datenbank und mit der Eingabe weniger
Informationen, Hinweise auf mögliche Ursachen von
Qualitätsfehlern oder Produktionsschwankungen zu
erhalten. Dabei wurden die verwendeten Data Mining
Verfahren vollständig vor dem Anwender verborgen.
Mit den im Projekt realisierten Ansätzen (Prioritätenliste von Einflussgrößen, zeitliche Entwicklung
sowie der Vergleich von zwei Stichproben z.B. aus
verschiedenen Zeitbereichen) können bereits eine
Vielzahl der täglichen Problemstellungen von Qualitäts- und Produktionsbeauftragten bearbeitet werden.
Die gewonnenen Hinweise können dann z.B. als
Basis für detaillierte Untersuchungen verwendet
werden. Die Entwicklung der oben erwähnten
Methoden erfolgte in enger Zusammenarbeit mit
den zuständigen Bereichen des Industriepartners.
Das entwickelte System ist in eine bestehende und
weit verbreitete Anwendung des Industriepartners
integriert, so dass eine große Anzahl Anwender aus
allen Bereichen des Unternehmens die entwickelte
Funktionalität nach einer ca. 2-3 stündigen Schulungsmaßnahme einsetzen können. Bild128 zeigt
die Komponenten der entwickelten Lösung sowie
die Benutzeroberfläche.
database and which allows users to obtain information on possible causes of quality defects or
production variations after entering just a few
search parameters. The data mining routines run
automatically in the background and are not be
visible to users. The approaches implemented
in this project (priority list of influencing variables, development over time, comparison of two
random samples, e.g. from different time axis
zones) already make it possible to solve many of
the day-to-day issues facing quality and production managers. The information received can
then be used, for example, as a basis for more
detailed investigations. The development of the
above mentioned methods was undertaken in
close cooperation with the relevant departments
of the industrial partner. The system that was
developed has been integrated into an existing
and widely used application at the industrial
partner so that a large number of users from
all areas of the company are able to work with
the new functionalities after a training session
lasting only about 2-3 hours. Fig 128 shows the
components of the developed solutions as well
as the user interface.
Qualitätsfehlerursachenanalyse bei der Stahlproduktion durch Kombination von Materialverfolgung, Datenarchivierung und Data Mining
Quality deficiency root cause analysis in steel
production through a combination of material
tracking, data archiving and data mining
Die Herstellung hochwertiger Erzeugnisse in
der Stahlindustrie ist ein komplexer Vorgang,
der von vielen Produktionsfaktoren abhängig ist.
The production of high-quality products in the
steel industry is a complex process that depends on
many different factors. Starting with the feedstock,
Bild / Figure 129
Zusammenspiel der Komponenten des Data Mining Systems
Cooperation of components of Data Mining system
145
Ausgehend von dem Rohmaterial durchläuft ein
Erzeugnis entlang der Produktionskette mehrere
Prozessstufen, bis es die geforderten Eigenschaften
erreicht hat. In jeder Prozessstufe wird das Produkt
entsprechend kundenspezifischer Anforderungen
geformt und in seiner Beschaffenheit verändert.
a product undergoes processing in several stages
along the production chain until it has acquired
the specified properties. At each process stage,
the product is formed and its characteristics are
adjusted to meet customer-specific requirements.
Trotz strenger Überwachung der Produktionsbedingungen lässt sich die geforderte Qualität
des Endproduktes nicht immer erreichen. Der
Grund dafür liegt in den meisten Fällen in der
Verkettung von geringfügigen Abweichungen in
den Produktionsbedingungen. Ursachen für solche
Schwankungen verhalten sich meistens hochgradig
nichtlinear und multivariat (=mehrere Größen
wirken gleichzeitig) und können daher mit den
in der Praxis üblichen Vorgehensweisen (Nutzung
von Erfahrungswissen, einfachen statistischen
Methoden oder „Trial-and-Error“) häufig nicht
identifiziert werden.
Despite strict monitoring of production conditions, it is not always possible to reach the desired
end-product quality. The reasons for this usually
lie in an accumulation of minor deviations in
the production conditions. The causes of such
variations are generally highly non-linear and
multivariate (i.e. severable variables act at the
same time) and can often not be identified with
the approaches commonly applied in practice
(reliance on empirical knowledge, simple statistical methods, or doing things by trial and error).
Im Rahmen eines bereits abgeschlossenen
Forschungsprojektes entwickelte das BFI ein System
zur Untersuchung von Qualitätsfehlerursachen
auf Basis von Data Mining Verfahren. Das Ziel des
Projektes war es vor allem, den Prozess der Datenaufbereitung sowie die Anwendung von Data Mining
Verfahren für die Benutzer möglichst einfach zu
gestalten. Dadurch sollte es ermöglicht werden,
eine Qualitätsfehlerursachenanalyse auch von
Personen durchführen zu können, die nicht über
Kenntnisse von Data Mining Verfahren und z.B.
der damit verbundenen Problematik der Datenzusammenstellung verfügen.
Realisiert wurde das System mittels eines Szenarien-basierten Ansatzes. Dabei werden für definierte Fragestellungen von Experten die Zusammenstellung der Daten, deren Verarbeitung und
Analyse festgelegt und in Form von Szenarien im
System abgelegt. Der Szenarien Anwender muss
seinerseits nur noch die Filtereinstellungen wie die
Auswahl des Produktes, den Zeitraum der Analyse
etc. vornehmen und die Ausführung anstoßen.
Die Ergebnisse werden vom System anschließend
automatisch aufbereitet und in einer verständlichen
Form dem Anwender zur Verfügung gestellt.
146
In the course of an already completed research
project, BFI developed a system based on data
mining techniques to investigate the root causes of
quality errors. The goal of this project was above
all to make the data preparation process and the
use of data mining techniques as simple as possible
for users. The ultimate intention was to make
it possible for persons to perform quality error
root cause analysis without any prior knowledge
of data mining techniques or of the problems
associated with compiling data.
The system was designed using a scenario-based
approach. For defined issues, experts compile the
data, determine how it should be processed and
analysed, and store these scenarios in the system.
All the scenario user has to do is to chose the filter
settings and select the product, the time span for
the analysis, etc., and launch the execution of
the analysis. The results are then automatically
processed by the system and delivered to the user
in an understandable form.
Automatische Generierung von Qualitätsregeln
zur Verbesserung eines dynamischen Entscheidungsunterstützungssystems für die Qualitätsbewertung von Bandmaterial
Automatic generation of quality rules for improving a dynamic decision support system for
quality assessment of strip material
Im Rahmen eines Vorläuferprojektes hat das BFI
ein System zur Entscheidungsunterstützung für die
Qualitätsbewertung von Flachmaterial entwickelt
und bei einem Stahlproduzenten erfolgreich in
Betrieb genommen. Bei diesem System müssen die
für die Bewertung der aufbereiteten Prozess- und
Qualitätsdaten eingesetzten Regeln manuell erstellt
und manuell eingepflegt werden. Hierbei basieren
die Regeln einerseits auf den für den einzelnen
Kunden bzw. Auftrag gültigen Produktionsvorschriften und andererseits auf dem Erfahrungswissen der Bedienmannschaft, das umfangreiches
Hintergrundwissen über den Kunden, dessen Anwendungen und den laufenden Produktionsprozess
enthält. Die Umsetzung dieses Erfahrungswissens in
sinnvolle Regeln ist teilweise nicht einfach und die
so erzeugten Regeln müssen auf jeden Fall anhand
realer Daten verifiziert werden.
In the course of a previous research project, BFI
had developed a system for supporting decisions
when assessing the quality of flat steel products
and successfully implemented in steel producer’s
facilities. In this system, the rules for assessing
the prepared process and quality data had to
be derived and input manually. The rules were
based on the production specifications for each
customer or order and on the experience of the
operating personnel who have extensive background knowledge concerning the customer and
his applications in addition to their familiarity
with the ongoing production process. Distilling
this experience into useful rules is not always
easy, and the rules established in this way must
always be verified on the basis of real data.
In dem hier vorgestellten und inzwischen beendeten Projekt wurden Methoden und Verfahren
entwickelt, getestet und implementiert, die als
Ergänzung zu den obigen Ansätzen die anzuwen-
The aim of the now completed project described
here was to develop, test and implement methods
and techniques to supplement the above
approaches and generate the rules to be used
Bild / Figure 130
Zusammenspiel der Komponenten zur automatischen Regelgenerierung
Components of the developed system for automatic rule generation
147
denden Regeln aus historischen Daten automatisch
generieren. Hierzu werden einerseits die Kundenreklamationen bzw. internen Qualitätsbewertungen
und andererseits die gemessenen Prozess- und
Qualitätsdaten herangezogen. Die mit Hilfe eines
Entscheidungsbaumverfahrens automatisch generierten Regeln werden von dem beim Kooperationspartner vorhandenen Entscheidungsunterstützungssystem (EUS) weiter verarbeitet. Hier
können sie mit Hilfe einer Simulation, basierend
auf historischen Daten, optimiert und durch weitere
Regeln ergänzt werden. Die Abbildung zeigt das
Zusammenspiel der Entscheidungsunterstützung
mit der automatischen Regelgenerierung.
148
automatically from historical data. This is done
by analysing customer complaints and internal
quality assessments as well as the measured process
and quality data. The rules that are generated
automatically with the help of a decision tree are
then further processed using a decision support
system (DSS) already in place in the cooperation
partner’s facilities. Here, they can be optimised
and supplemented with further rules with the
help of a simulation based on historical data. The
illustration shows the interaction of the decision
support system with the automatic rule generating component.
Names, Facts and Events | Turnover and Employees
Bild / Figure 131
Haushalt
Turnover
Bild / Figure 132
Einnahmen 2011
Incomes for 2011
149
Namen, Fakten und Ereignisse | Haushalt und Beschäftigte
Bild / Figure 133
Angestellte
Employess
Bild / Figure 134
Aufteilung der Mitarbeiter nach Qualifikation
Breakdown of employees by qualification
150
Namen, Fakten und Ereignisse | Verwaltungsrat und Fachbeirat
Verwaltungsrat / Administrative Board
Vorsitz/Chairman:
Dr.-Ing. Peter DahlmannStahlinstitut VDEh
Mitglieder/Members:
Prof. Dr.-Ing. Norbert Bannenberg
Dr.-Ing. Heribert Fischer
Dipl.-Ing. Ulrich Grethe Dipl.-Ing. Jürgen Horsthofer
Dipl.Ing. Wim van Gerven
AG der Dillinger Hüttenwerke
ThyssenKrupp Steel Europe AG
Salzgitter Flachstahl GmbH
Deutsche Edelstahlwerke GmbH
ArcelorMittal Gent (bis zum 31.10.2012)
Fachbeirat / Technical Board
Vorsitz/Chairman
Prof. Dr.-Ing. Norbert Bannenberg,
Mitglieder / Members:
Kokereiausschuss:
Dr.-Ing. Leo Nelles Hüttenwerke Krupp Mannesmann GmbH
Hochofenausschuss:
Dr.-Ing. Michael Peters
Stahlwerksausschuss:
Dr.-Ing. Ralf Bruckhaus
Blankstahlausschuss:
Erich Christau Bessey Präzisionsstahl GmbH
Ausschuss für
metallurgische Grundlagen:
Dr.-Ing. Klaus Harste
Max Aicher GmbH & Co. KG
Ausschuss für
Langprodukte:
Prof. Paul-Josef Mauk Gerhard-Mercator Universität
Ausschuss für
Flachprodukte:
Dipl.-Ing. Klaus Kurke
Schmiedeausschuss:
Dipl.-Ing. Ralf Rech
Buderus Edelstahl GmbH
Ausschuss für
Anlagentechnik: Dipl.-Ing. Dirk Theis
Salzgitter Flachstahl GmbH
Werkstoffausschuss:
Dr.-Ing. Dr.-Ing. E.H.
Volker Schwich
ESB sprl Engineering Steel Belgium
Energieausschuss:
Dr.-Ing. Michael Joksch
Umweltausschuss:
Prof. Dr.-Ing. Gunnar Still ThyssenKrupp Steel Europe AG
Chemikerausschuss:
Dr. rer. nat. Patrice Reeb
151
Namen, Fakten und Ereignisse | Publikationen
Veröffentlichungen / Publications
Artikel in Zeitschriften / Articles
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Wärmerückgewinnung mit Flachflammenbrennern. Gaswärme International: 60 (2011), S. 34-37
tubbe, G.; Harp, G.; Schmidt, D.; Sedlmeier, M.:
S
Neue Technologie zur Chromrückgewinnung
aus Elektrolichtbogenofenschlacken. Stahl und
Eisen: 131 (2011), S. 45-50
on Gersum, S.; Adler, W.; Bender, W.: Energyv
efficient furnace heating - regenerative
heat recovery with flat flame burners, Heat
Processing: 9 (2011), S. 170-173
onten, H.; Grob, S.; Kleimt, B.: Cast in Time
P
and Quality: Energy Savings Through Integrated
Heat Temperature Forecast and Scheduling
Model. Iron & Steel Technology (2011), S. 82-91
ubrich, M.; Kozariszczuk, M: Zeitnahe ErfasH
sung der mikrobiologischen Aktivität in Kühlwasser- und Emulsionskreisläufen. Stahl und
Eisen: 131 (2011), S. 160-161
dam, J.; Adler, W.; Harp, G.; Laps, M.; Schnell,
A
H.-J.: Efficient utilization of low calorific process
gas with innovative engine technology. Stahl
und Eisen: 131 (2011), S. 47-53
S chlautmann, M; Kleimt, B.; Kubbe, A.; Teworte,
R.; Rzehak, D.; Senk, D.; Jaklic, A.; Klinar, M:
Dynamic process models for on-line control
of steelmaking processes, exemplified for the
VOD process. Stahl & Eisen: 131 (2011), S. 57-65
leimt, B; Weinberg, M; Bongers, J; Schöring, M:
K
Modellbasierte Temperaturführung bei der Flüssigstahlerzeugung zur Optimierung des Energieeinsatzes. Stahl und Eisen: 131 (2011), S. 113-131
ergmanns, E.; Deters, L.; Fenske, C.; Gräbing,
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M.; Kurzynski, J.; Meiß, M.; Stache, H.:: Analyse
und Optimierung von hoch beanspruchten
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153
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154
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niederkalorischem Kupolofengas mit innovativer
Motorentechnik zur Steigerung der Energieeffizienz und Senkung der CO2-Emissionen.
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Druckwerke
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155
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Abgeschlossene Forschungsvorhaben / Completed Research projects
Projektende in 2011 / Projects completed in 2011
AIF
ntwicklung und Erprobung eines neuen VerfahE
rens zur verbesserten Schlackenführung bei
sekundärmetallurgischen Prozessen mittels
Impedanzspektrometrie (15760 N/I)
eues Verfahren zur Entfernung von Partikeln
N
aus Kühlwasserkreisläufen mit Starkfeldmagneten (16156 N/I)
teigerung der Energieeffizienz an ProzessS
feuerungen durch erweitertes universelles
Brenngas-Messgerät (16155 N/I)
lektropolieren in ionischen Flüssigkeiten und
E
nicht wässrigen Elektrolyten (16209 N/I)
BMWI
ptimierung von hoch beanspruchten
O
Wälzlagerungen (01RI0630A)
iomimetisch geprägte Hochleistungskeramiken
B
für den Anlagenbau (01RB0703C)
insparung hochwertiger Primärenergieträger
E
durch heizwertärmere Prozess- und Sekundärgase in Kombination mit innovativer Abgaswärme-Minderung (0327378)
S enkung von Energieverbrauch und CO2-Ausstoß
an Wärmöfen mit unterstöchiometrischer
Heißgas-Atmosphäre durch ein innovatives
Ofenführungskonzept mit kontinuierlichem
Ausbrandmesssystem (0327380)
ZIM
ynamisches Entscheidungsunterstützungssystem
D
zur Qualitätsbewertung von Bandmaterial- Automatische Regelextraktion (KF2231801KM9)
156
ontinuierliche Reinigung von KühlschmierK
Emulsionen durch neues Membranverfahren
(KF2231802OH9)
Names, Facts and Events | Research Projects
S elbstüberwachendes Regelsystem mit automatischer Parameternachstellung für Bandbeschichtungsanlagen (KF2231804WD9)
von Oberflächenform und Glanz gewalzter
Bänder mit beliebigem Reflektionsverhalten
(KF2231811DA0)
ntersuchungen zur Membranauswahl und
U
Modulleistung bei der Membrandestillation
von Spülwässern der Edelstahlverarbeitung
(KF2231803MK9)
I nnovative Verfahrensentwicklung und Prozessführung zur Herstellung von hochlegierten
Edelstählen mit niedrigem Kohlenstoffgehalt
(KF2231805)
ptimierung der Bodenauslassströmung in
O
Stranggießverteilern (KF2231807CK9)
insatz von Sekundärrohstoffen zur VerbesE
serung der Chrom-Rückgewinnung und der
Schlackenqualität bei der Erzeugung von nicht
rostenden Edelstählen im Elektrolichtbogenofen
(KF2231820WZ0)
ntwicklung und Optimierung der EinsatzmögliE
chkeiten der berührungslosen vollvolumetrischen
Ultraschall Phased-Array Bandprüfungstechnologie für sehr dünne Stahl-Bänder (KF2231813WM0)
egelbasierte Optimierung von Wärmezufuhr
R
und Temperaturniveau (KF2231808LL9)
ualitätsfehlerursachenanalyse bei der StahlQ
produktion durch Kombination von Materialverfolgung, Datenarchivierung und Data
Mining (KF2231810LF9)
teigerung der Standzeit und Minimierung der
S
Baugröße eines Rohrregenerators an Hochtemperaturprozessanlagen (KF2231819DF0)
ntwicklung einer neuen Technologie zum
E
Walzen dünner Stahlfolien (KF2231821)
efrierkonzentration zur energieeffizienten
G
Kreislaufschließung von Spülprozessen in der
Metallindustrie (KF2231818)
Hybrides Messsystem zur Online-Erfassung
RFCS
xidation Management in Hot rolling Processes
O
Oxidation management in Hot Rolling Processes
(RFSR-CT-2008-00016)
upporting process and quality engineers by
S
automatic diagnosis of cause-and-effect relationships between process variables and quality
deficiencies using Data Mining technologies
(RFSR-CT-2008-00042)
I nnovative methodology for through process
inclusion level forecasting of engineering steel
(RFSR-CT-2008-00002)
ontrol of Slag and Refining Conditions in the
C
BOF (RFSR-CT-2008-00004)
dvanced methods to improve work roll life
A
time and surface quality of hot rolled strip
by coupled oil free lubrication and chilling
(RFSR-CT-2008-00012)
ptimised production of low C and N steel
O
grades via the electric steelmaking route (RFSRCT-2008-00003)
Novel Externally Enhanced Pickling Improvement for Short / Mid Term (RFSR-CT-2008-00046)
eduction in surface cracking in as-cast low sulphur
R
and calcium treated steels (RFSR-CT-2008-00008)
astering billet casting through integration of
M
innovative mould sensoring and online billet
surface quality monitoring (RFSR-CT-200800005)
I ncrease of cold rolling performance by new
lubricant and innovative work roll concepts
(RFSR-CT-2008-00011)
Flexible injection of alternative carbon material into the blast furnace. Determintation of
conditions for pneumatic conveying and injection for solid mixtures of different materials
(RFSR-CT-2008-00001)
ovel Rolling Methods for Advanced High
N
Strength Hot Rolled Steels (RFSR-CT-2008-00023)
nhanced reliability in ladle refining processes
E
(VD, VOD and LF) by improved online process
157
Namen, Fakten und Ereignisse | Forschungsvorhaben
monitoring and control (RFSR-CT-2008-00044)
ovel Rolling Methods for Advanced High
N
Strength Hot Rolled Steels (RFSR-CT-2008-00023)
inimised Yield Losses by Innovative Integrated
M
Edge-drop, Width and Shape Control Based on
Soft-sensor Technology and New Actuators in
Cold Rolling Mills (RFSR-CT-2007-00015)
onsistent blast furnace operation whilst using
C
low cost raw materials (RFSR-CT-2007-00002)
nline Material Characterisation at Strip ProducO
tion (RFSR-CT-2008-00040)
eduction of Emissions and Energy Utilisation
R
of Coke Oven Underfiring Heating Systems
through Advanced Control and Diagnostics
(RFCR-CT-2008-00007)
I ntegrated models for defect free casting (RFSRCT-2008-00007)
ptimisation of final plate flatness by set-up
O
coordination for subsequent manufacturing
processes (RFSR–CT–2005-00019)
evelopment of an innovative hybrid procedure
D
for combining tension-levelling and skin pass
rolling (RFSR-CT-2007-00016)
Projektende 2012/Projects completed in 2012
AIF
ffiziente Behandlung schwermetallhaltiger
E
Abwässser durch sulfidische Fällung und dynamische Crossflow-Filtration (16298N/I)
ntersuchungen zur kontinuierlichen KonzenU
trationsbestimmung in Säuregemischen zur
Oberflächenbehandlung (16534 N/I)
Senkung ungewollter Randentkohlung von
Metall-Nutzgütern bei den thermochemischen
Hochtem-peraturprozessen in Wärm- und Wärmebehandlungsöfen (16157 N/I)
erbesserung des Gießprozesses von MetallsV
chmelzen durch kontinuierliche emissionsgradunabhängige optische Temperaturkontrolle
während des Gießens (16340 N/I)
BMBF
ptimierte Prozessführung zur ressourcenefO
fizienten Stahlerzeugung im Konverterprozess
(033R009B)
rhöhung der Energie- und Materialeffizienz
E
der Stahlerzeugung im Lichtbogenofen durch
optimiertes Wärmemanagement und kontinuierliche dynamische Prozessführung (033R022B)
eue Effizienztechnologie für die KreislaufN
schließung von Metallen und Spülwasser in
der Weißblechproduktion (033R002A)
insatz nanoskaliger Beschichtungssysteme zur
E
Verminderung der Hochtemperatur-korrosion
beim Wiedererwärmen von Vormaterial beim
Freiformschmieden (03X0088C)
teigerung der Energieeffizienz bei der HerstelS
lung von Gießschmelzen für Stahlgießteile
(01LY0917)
BMWI
nergiesparende Erzeugung von MetallschmE
elzen durch direkte Kontrolle der Zieltemperatur im Pfannenofen - Erweiterung und
Anwendung eines dynamischen Temperaturmodells (0327478)
158
S enkung von Energieverbrauch und CO2-Freisetzung beim industriellen Eisenerz-Sinterprozess
(0327445)
ZIM
ntwicklung einer teilautomatisierten BiegE
erichtmaschine für plattenförmige Blechbauteile, als geregeltes mechatronisches System
(KF2231809WD9)
reislaufschließung von Spülwässern mittels
K
GefrierkonzentrationGefrierkonzentration
(KF2231818RH0)
RFCS
LCOS top gas recycling blast furnace process
U
(RFSR-CT-2009-00002)
I dentification of optimal mould lubrication
conditions through an innovative hot and cold
simulation method (RFSR-CT-2009-00006)
nhanced steel ladle life by improving the resistE
ance of lining to thermal, thermomechanical
and thermochemical alteration (RFSR-CT-200900003)
nowledge management and decision support
K
with special focus to process and quality optimization at flat steel production (RFSR-CT2009-00034)
I mproved monitoring and control of flat steel
surface quality and production performance by
utilisation of results from automatic surface
inspection systems (RFSR-CT-2009-00033)
evelopment of an integrative plant, process
D
and quality supervisory system at continuous
casting by the intelligent combination of sensors,
data analysis and decision support techniques
(RFSR-CT-2009-00001)
ew measurement and control techniques for
N
total control in iron ore sinter plants (RFSRCT-2009-00001)
ffect of transients on quality of continuously
E
cast product (RFSR-CT-2009-00005)
Future-Oriented Supervision of the Cold Rolling
Process in Reversing Mills (RFSR-CT-2009-00035)
dvanced methods to improve work roll life
A
time and surface quality of hot rolled strip
by coupled oil free lubrication and chilling
(RFSR-CT-2008-00012)
ptimal strength control by individual strip
O
related tuning of cooling processes in the hot
rolling area based on models and in-line strength
measurements (RFSR-CT-2008-00026)
FOSTA
Strategien zur Minimierung der Verzugspotentialträger (P 986/04/2012)
Laufene Gemeinschaftsvorhaben / Current Joint Projects
FP 7
Low Carbon Industrial Manufacturing Parks (FP7-Energy-2011-2 296010)
RFCS
ognitive Control Systems in Steel Processing
C
Lines for Minimised Energy Consumption and
Higher Product Quality (RFSR-CT-2010-00037)
I ncreased abrasive wear and thermal fatique
resistance of Long Product work roll by appli-
cation of novel coating technologies (RFSR-CT2010-00009)
Increased yield and enhanced steel quality by
improved deslagging and slag conditioning
(RFSR-CT-2010-00005)
159
Namen, Fakten und Ereignisse | Forschungsvorhaben
ulti-criteria through-process optimisation of
M
liquid steelmaking (RFSR-CT-2010-0003)
I nfluences of the electro galvanizing process
on the surface topography alterations (RFCSCT-2010-00016)
lexible production by multi sensor process
F
control of pickling lines (RFSR-CT-2010-0017)
ontrol of steel oxidation in reheating operaC
tions carried out with alternative fuels and new
combustion technologies (RFCS-CT-2011-00007)
ptimal control of shape and material properO
ties (RFCS-CT-2011-00011)
I ntelligent self-learning control of levelling
processes by use of soft sensor techniques
(RFCS-CT-2011-00016)
elective salt elimination and valorisation for
S
sustainable water and facility management in
the steel industry (RFSR-CT-2010-00035)
ptimisation of blast furnace hot stove operaO
tion (RFCS-CT-2012-00003)
euse of low temperature heat (<350°C) for the
R
reduction of CO2-impact of the steel industry
(RFSR-CT-2010-00034)
tirring plug monitoring system for improveS
ment of plug availability and stirring performance (RFCS-CT-2012-00005)
I nnovative carbon products for substituting
coke on BF operation (RFCS-CT-2010-00035)
efinement of flat steel quality assessment
R
by evaluation of high-resolution process and
product data (RFCS-CT-2012-00040)
I ntercolumnar cracking and its relationship to
chemistry and applied strain (RFSR-CT-2010-0006)
inimising energy loss in hot rolling by intelM
ligent manufacturing (RFCS-CT-2010-00008)
igh pressure water jet descaling for wire rod
H
(RFSR-CT-2010-00014)
xtension of BF tuyere life time (RFCS-CT-2011E
00001)
I ntelligent cleanness control in secondary steelmaking by advanced off- and online process
models (RFSR-CT-2011-00004)
I nnovative process technology for ingot casting
by application of simulation and measuring
techniques (RFCS-CT-2011-00006)
ptimisation of permeability bars to customise
O
sinter plants on changing demands (RFSR-CT2012-00004)
last furnace sustained tapping practice (RFCSB
CT-2012-00001)
pplication of innovative fibre optical thermal
A
monitoring at CC-billet mould for improved
control of product (RFCS-CT-2012-00007)
I mproved coal combustion under variable blast
furncae conditions (RFCS-CT-2012-00002)
dvanced measurements and dynamic modelA
ling for improved furnace operation and control
(RFSR-CT-2012-00009)
I mproved sinter mix preparation while using
challenging raw materials (RFCS-CT-2011-00003)
igh efficiency low NOx BFG based combustion
H
systems in steel reheating Furnaces (RFSR-CT2012-00010)
ost effective, reliable and safe acid manageC
ment at European pickling plants (RFSR-CT2011-00038)
I nvestigation of innovativ methods for solidification control of liquid steel in the mould
(RFCS-CT-2012-00011)
ecovery of nickel from waste in stainless steel
R
industry (RFSR-CT-2011-00039)
ontrol of slag quality for reuse in the contrucC
tion industry (RFCS-CT-2012-00006)
echnology-based assistance system for producT
tion planning in stainless steel mills (RFCS-CT2011-00040)
S trong field magnetic separation of fine particles
from cooling water and gas wash water circuits
of the steel industry (RFCS-CT-2012-00042)
160
uality and process monitoring system based
Q
on surface and internal defect detectopm for
hot and cold wire (RFCS-CT-2012-00041)
I ntelligent control station for improved quality
management in flat steel production by a next
generation decision support system (RFCS-CT2012-00037)
evelopment of a new automation and informaD
tion paradigm for integrated intelligent manufacturing in steel industry based on holonic
agent technology (RFCS-CT-2012-00038)
Improvement of the internal wall surface
quality of seamless tubes by optimisation and
anticipating management of the mandrel bar
operation and supervision of the internal tool
process (RFSR-CT-2008-00014)
EU-Switch Asia
ustainable production through market penetration of closed loop technologies in the metal
S
finishing industry (DCI-Asia-2011/263-161)
BMWI
ualitäts- und leistungssteigerndes BeheiQ
zungsverfahren für Wärmebehandlungsöfen
auf Basis von innovativen energiesparenden
Hoch-Impuls-Brennern (03ET1027B)
euartiger keramischer HochtemperaturrekuN
perator zur Steigerung der Energieeffizienz
von Prozessfeuerungen (0327877A)
nergieeffiziente dynamische VakuumbehanE
dlung von Metallschmelzen (03ET1045C)
S teigerung von Energieeffizienz und Wirkungsgrad an Banderwärmungsöfen durch neue
luftgekühlte Gut-Transportrolle (0327380 A/B)
ationellere Energieausnutzung in Schachtöfen
R
durch dynamische Steuerung von Positionierung
und Zeitfolge der Einsatzstoffe (03ET1095C)
ZIM
rhöhung der Prozesssicherheit bei der DesoxiE
dation von Stahlschmelzen (KF2231825WM1)
I ntegrierte, automatisierte und multi-variate
SPC-Lösung für die Prozessindustrie am Beispiel
von Bandmaterial (KF 2231826 ED)
ontinuierliche Optimierung von Prozessen
K
und Anlagen der industriellen Produktion
durch die automatische Wiedererkennung
von Prozesssituationen anhand hochaufgelöster
Anlagen- und Prozessdaten (KF2231827BZ2)
BMBF
ntwicklung und Erprobung einer neuen AnlagenE
technik zur Herstellung eines hochwertigen Zinkoxids
aus ungenutzten zinkhaltigen Produktionsrückständen durch Schmelzbad-Injektion (033R065A)
hemisches Recycling von TiC aus RücklaufC
schritt Prüfung der Übertragbarkeit auf weitere
relevante Harmetallphasen (03X3567C)
AIF
Weiterentwicklung der AOX-Messtechnik zur Vermeidung von Fehlmessungen (17207 N/1)
161
Namen, Fakten und Ereignisse | Patente
Land NRW
I nnovative Werkstoffgeneration für Schneidwaren durch die zukunftsweisende Fertigungstechnologie Bandgießen (005-1009-0056)
Intelligente, adaptive Prozessführung zur
ressourceneffizienten Erzeugung hochwertiger, nichtrostender Stähler in der VOD-Anlage
(21060236412)
emporärer Hochtemperaturkorrosionsschutz
T
(21060227512)
Laufende und erteilte Patente / Patents granted and Pending
Abschottsystem
laufrollen (Adaptive Ofenrolle)
nwendung von Spülsteinen in der PfannenA
metallurgie
Membran-Pulsstromabscheidung
Auslenkvorrichtung
utarke elektrische Energieversorgung (AEE)
A
auf Wellen und Rollen
Beschichtete Meßgeberabdeckung
igitales Empfangssystem mit StörunterD
drückung in Echtzeit
Drehübertragersystem
rkennen des Pfannenzapfens im Maul von
E
Lamellenhaken beim Heißtransport von feuerflüssigen Massen mittels Spannungsmessung
mit piezoelektrischen Sensoren
Flachflammenbrenner
lachflammenbrenner für hohe BrennluftvorF
wärmung
Messrolle mit verkeilten Sensoren
essrolle zum Feststellen von PlanheitsabweiM
chungen
Messsystem zur Bestimmung der Bandlage
essverfahren zur kontinuierlichen ÜberwaM
chung der Beizbadqualität
essvorrichtung für die Temperaturmessung
M
einer Schmelze und Handlanze
essvorrichtung und Messverfahren zur Analyse
M
von Eigenschaften einer strömenden Flüssigkeit
odellgestütztes Mehrgrößen-PlanheitsregeM
lungssystem mit Zerlegung der gemessenen
Planheit in orthogonale Komponenten und
Störgrößenaufschaltung beim Warmwalzen
Formschlussbiegemaschine
euartige Geometrie eines VerschlussstopN
fens zur Reduzierung der Ansatzbildung in
Ausgusssystemen
Gerüstvoreinstellung
Oberflächenmesssystem für Flachprodukte
onverter mit einem Behälter zur Aufnahme
K
geschmolzenen Metalls und einer Messvorrichtung zur optischen Temperaturbestimmung
des geschmolzenen Metalls
Planheits-Messsystem für Metallband
oordinierendes modellbasiertes PlanheitsregeK
lungssystem mit Zerlegung der gemessenen
Planheit in orthogonale Komponenten und
Störgrößenaufschaltung beim Walzen, insbesondere bei Kaltwalztandemstraßen
Planheitsregelung
Längsgebohrte Rolle
egelung der Warmbandplanheit auf der GrundR
lage einer topometrischen Planheitsmessung
agergehäuse mit Stellvorrichtung zum
L
geregelten Neigen und Schwenken von Band-
Regelverfahren und Regler für ein Walzgerüst
162
lanheitsmessvorrichtung für Band mit
P
spiegelnder Oberfläche
ositionsregelung von Walzeneinbaustücken
P
durch eine adaptronische Geometrie- und Spielregelung für die Flachbahnführungen
Names, Facts and Events | Patents
Richtvorrichtung FS-Richten
Rohrregenerator
Sendesystem für Ultraschallwellen – Heißprüfer –
Sensor Vorspannung mittels Spannhülsen
Stichplanoptimierung
T-Kokille
ltraschallprüfung mittels elektrodynamisch
U
oder elektromagnetisch erzeugter und empfangener Stabwellen und Verwendung eines
Laufzeit gesteuerten Gruppenstrahlers
niverselle kleintechnische Brennkammer zur
U
Brenngasqualitätsbestimmung
erfahren und Vorrichtung zum lagegerechten
V
Aufwickeln eines gewalzten Warmbandes in
einer Haspelvorrichtung
erfahren und Vorrichtung zum optischen
V
Messen der Oberflächenform und zur optischen
Oberflächeninspektion von bewegten Bändern
erfahren und Vorrichtung zur Behandlung
V
einer Emulsion mit Mikrowellen
erfahren und Vorrichtung zur Bestimmung
V
des lokalen Wärmeübergangs in Industrieöfen,
insbesondere Wärmebehandlungsöfen
erfahren und Vorrichtung zur Dämpfung
V
einer Walzenschwingung in einer Walzanlage
erfahren und Vorrichtung zur hochgenauen
V
Abstandsmessung von Oberflächen (Rauheitsmeßsystem)
erfahren und Vorrichtung zur optischen
V
Messung der Oberflächenform und zur optischen
Oberflächeninspektion
erfahren zur Ermittlung einer flüssigen Phase
V
im Innern eines an seiner Oberfläche bereits
erstarrten Strangs
erfahren zur Ermittlung von Bandzug, BandV
zugverteilung und Querprofilabweichung
Verfahren zur Fehlerartklassifizierung
erfahren zur fraktionierten Aufbereitung
V
von Säuren aus Metallbeizbädern und deren
Spülwässern
erfahren zur Führung eines Bandes und
V
Verwendung für ein solches Verfahren
erfahren zur Führung eines StahlverarbeiV
tungsprozesses, insbesondere eines Warmwalzprozesses
erfahren zur Gewinnung eines hochwerV
tigen 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
erfahren zur Messung der Auflage auf einem
V
bewegten Metallband
erfahren zur selektiven Abtrennung von
V
Metallen aus Phosphatierungsbädern und deren
Spülwässern mittels Membrankontaktoren
Verfahren zur Überprüfung von Bauteilen
erfahren zur Vermeidung von längsseitigen
V
Bandformfehlern beim Warmwalzen
erfahren zur Zuordnung eines digitalen Bildes
V
in eine Klasse eines Klassifizierungssystems
erfahren zur Ermittlung der Planheit bzw.
V
Welligkeit eines bewegten Bandes – Welligkeit –
erfahren und Vorrichtung zur Verminderung
V
von Schwingungen in einer Walzanlage
Vollrolle zur Planheitsrechnung
erfahren zum Messen und Steuern der BandV
planheit in Bandbehandlungsanlagen
orrichtung und Verfahren zur Analyse der
V
Zusammensetzung einer flüssigen Metallschmelze
Verfahren zur Bandbeschichtung
erfahren zur Ermittlung des OberflächenverV
laufs eines bewegten Bandes
orrihtung und Verfahren zur Einstellung der
V
Zinkschichtdicke beim Feuerverzinken von Band
orrichtung und Verfahren zur Kombination
V
des Dressierwalz- und Streckbiegerichtvorgangs
163
Namen, Fakten und Ereignisse | Patente
orrichtung zum Biegerichten von Metallband
V
– Formschlußrichten
Vorrichtung zum Messen von Langprodukten
164
orrichtung zur elektrolytischen MetallabV
scheidung auf Metallband durch kathodisch
pulsierenden Strom
Kontakt I Contact
Sohnstrasse 65
40237 Düsseldorf
Prof. Dr.-Ing. Ralph Sievering
Hauptgeschäftsführer / General Manager
ralph.sievering@bfi.de
Tel: +49 211 6707 200
s. Karin Fischer
M
Sekretariat der Geschäftsführung /
Assistant to the Manager
karin.fischer@bfi.de
Tel: +49 211 6707 201
M. Sc. Marten Sprecher
Referent der Geschäftsführung /
Executive Assistant to the Manager
marten.sprecher@bfi.de
Tel: +49 211 6707 203
m den richtigen Ansprechpartner
U
für Ihre Anfrage zu finden,
besuchen Sie bitte www.bfi.de
To find the right contact for your request,
please visit www.bfi.de
165
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 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-WüstStraße, 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-WüstStrasse 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.
166
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.
Notizen / Notes
167
Wir möchten uns gerne bei den unseren Fördergeldgebern, insbesondere dem Research Fund for Coal and
Steel (RFCS), dem Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie (BMWI), dem Bundesministerium für
Bildung und Forschung (BMWI), der Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen (AIF),
dem Land Nordrhein-Westfalen, sowie allen anderen für die Unterstützung danken.
Des Weiteren bedanken wir uns bei Projektträgern für
die gute und erfolgreiche Zusammenarbeit.
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

Tätigkeitsbericht /Activity Report 2011/2012

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