Sonderdruck aus gwi gaswärme international Heft 3/2013 Seiten 108 bis 112

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1 AUS EINER HAND THERMISCHE PROZESSTECHNIK VOM WALZWERKBAUER Sonderdruck aus gwi gaswärme international Heft 3/2013 Seiten 108 bis 112

2 SMS SIEMAG Thermische Prozesstechnik AUS EINER HAND THERMISCHE PROZESSTECHNIK VOM WALZWERKBAUER In der Stahl- und Aluminiumindustrie war es über viele Jahre Praxis, dass Aufträge für neue Walzwerke oder Bandanlagen seitens des Investors in die drei Pakete Mechanik, Elektrik und Thermische Behandlung aufgeteilt und getrennt vergeben wurden. Die Koordinierung der einzelnen Pakete und die Verantwortung für die sich daraus ergebenden Schnittstellen lagen beim Investor. Zunehmend wächst jedoch kundenseitig das Interesse an Anlagenbauern, die bereit und technologisch in der Lage sind, die Gesamtanlage einschließlich des Prozess-Know-hows zu liefern. SMS Siemag, Lieferant von Walzwerken und Bandbehandlungsanlagen für die Stahl- und Aluminiumindustrie hat bereits vor Jahren damit begonnen, Schritt für Schritt die altgewohnte Aufteilungspraxis zu verändern, indem das Unternehmen zunächst die Pakete Mechanik und Elektrik und seit kurzem auch die thermische Prozesstechnik zu einer kompletten Lieferung verband. Damit rückt der Herstellungsprozess in den Vordergrund und es ergeben sich große Vorteile für beide Seiten: Die Betreiber müssen weniger Schnittstellen verantworten und können die Anlagenbauer über deren Prozessverantwortung nicht nur für das Funktionieren der Anlage, sondern auch für das Produktergebnis in die Pflicht nehmen. Diese Marktentwicklung brachte die Chance, durch den daraus resultierenden Ausbau des Geschäfts zu wachsen und das Angebot zur Übernahme der Gesamtverantwortung im Wettbewerb für sich zu nutzen. Autor: Thilo Sagermann, SMS Siemag Begonnen hat dieser Trend damit, dass SMS Siemag mit ihrer Erfahrung im mechanischen Anlagenbau zunächst auch die Antriebs- und Steuerungselektrik lieferte. Dies führte schnell zur Entwicklung von Prozessmodellen, zum Beispiel für die Konstanz der Bandabmessungen und der Bandplanheit. Damit war es bereits möglich, die Geometrie eines Walzprodukts zu beeinflussen und zu garantieren. Offen blieben da noch die Einflüsse aus der thermischen Behandlung auf die Eigenschaften des Walzprodukts. Diese Lücke nahm das Unternehmen als Herausforderung des Markts an und suchte nach einer Lösung, die Wärmebehandlung der Walzprodukte in das eigene Portfolio zu integrieren. NEUER GESCHÄFTSBEREICH THERMISCHE PROZESSTECHNIK Fünf bis sechs Jahre liegt bereits der Entschluss zurück, diesen neuen Geschäftsbereich zu gründen. Auslöser war die Übernahme des in Belgien ansässigen Unternehmens Drever International, das bereits seit langem führend im Bau von Öfen in kontinuierlichen Bandbehandlungsanlagen wie Glüh- und Verzinkungslinien für Kohlenstoffstahl und Edelstahl ist. Der Treiber für diesen Einstieg kam aus dem Bereich Bandanlagen, der in früheren Jahren selbst bei Aufträgen für Gesamtanlagen die Öfen immer an Unterlieferanten oder Konsortialpartner u. a. die Firma Drever vergeben hat. Dabei hatte man festgestellt, dass bei den verschiedenen Arten von Bandanlagen für die Herstellung von Stahlband der kritische und Know-how-behaftete Prozessschritt, der die Materialeigenschaften des Produkts definiert, im Ofen bzw. bei der nachgeschalteten Abkühlung stattfindet. Bei SMS Siemag ist man überzeugt, dass nur wer das Behandeln der Bänder vom Prozess her versteht, dem Kunden auch Mehrwert bieten kann. Dr. Fritz Brühl, Leiter des neuen Bereichs Thermische Prozesstechnik bei SMS Siemag, hierzu: Kunden tendieren immer mehr dahin, das Know-how zum Erzielen bestimmter Pro- 2

3 dukteigenschaften von uns abzufragen. Langfristig wird sich am Markt nur durchsetzen, wer den Prozess gesamtheitlich abbilden kann. Das gilt z. B. für die modernen Stahlgüten wie TRIP- und Dualphasenstähle. Ohne eine gezielte Wärmebehandlung sind diese Materialien nicht zu erzeugen. Vom Markt wurden in den Folgejahren immer neue und unterschiedliche Aufgaben für die Wärmebehandlung von Walzhalbzeug an das Unternehmen herangetragen. Zunächst wurde, parallel zur Weiterführung des erfolgreichen Drever-Geschäfts, deren generelles Ofen- Know-how für neue Entwicklungen genutzt. Dabei entstand aber auch immer mehr eigenes Know-how, zumeist in enger Abstimmung mit dem Bereich Bandanlagen, zuständig für die mechanischen Einrichtungen. Dieser Übergangsprozess führte zu Beginn des Jahres 2011 zur Gründung des neuen Bereichs Thermische Prozesstechnik. Da SMS Siemag als Anbieter von Walzwerken und Bandanlagen für Flachprodukte bekannt ist, war automatisch vorgegeben, dass das neue Geschäftsfeld sich ebenfalls auf den Bereich Wärmebehandlung von Flachprodukten fokussierte. Brühl bringt das auf den Punkt: Es gibt zwei Begriffe, die unser Produktportfolio beschreiben: Der eine lautet Wärmebehandlung und der andere Flachmaterial. Wir sehen den Mehrwert und das, was technologisch anspruchsvoll ist, weniger im reinen Wiedererwärmen, sondern in der Wärmebehandlung dem gezielten Erwärmen und Abkühlen des Materials. Der neue Geschäftsbereich hat sich in kurzer Zeit erfolgreich auf dem Markt positioniert. Dank vieler Neu- und Weiterentwicklungen und der engen Zusammenarbeit mit den Geschäftsbereichen Walzwerke und Bandanlagen konnten zahlreiche Aufträge gewonnen werden, die durchweg von Zukunftsbedeutung für den Bereich sind. Weltweit beschäftigt der Geschäftsbereich mit Sitz in Düsseldorf bereits rund 250 Mitarbeiter. Aus den europäischen Ressourcen des Geschäftsbereichs haben sich dank einer zielgerichteten Weiterentwicklung bisher folgende Anwendungs-Schwerpunkte für den Einsatz hauseigener thermischer Prozesstechnik für Flachprodukte aus Kohlenstoffstahl und Edelstahl sowie Elektroband herausgebildet: Vertikal- und Horizontalöfen für kontinuierliche Glüh- und Verzinkungslinien Schwebebandöfen für Beschichtungs- und Glühlinien Vergütungslinien, Rollenherdöfen und Kammeröfen Techniken für CSP -Anlagen der neuesten Generation VERTIKALÖFEN FÜR KONTINUIERLICHE GLÜH- UND VERZINKUNGSLINIEN Ein wesentlicher Bestandteil des neuen Geschäftsbereichs Thermische Prozesstechnik sind Vertikalöfen aus dem Drever-Programm für die Wärmebehandlung, d. h. für das Glühen und Abkühlen von Stahlband, Bild 1. Bild 1. Zwei Drever-Durchlauf-Glühöfen in den Feuerverzinkungsanlagen bei TKS in Alabama, USA. 3

4 SMS SIEMAG Thermische Prozesstechnik Bandlauf: - Glühen & Abkühlen - Verzinkungsstrecke - Endkühlung Umgehung der Überalterungsstrecke Bandlauf: - Glühen & Abkühlen - Überalterungsstrecke - Endkühlung Umgehung der Verzinkungsstrecke Bild 2. Vergleich Verzinken und Glühen in einer kombinierten Feuer-Verzinkungs-Glühlinie. Der Drever-Ofen ist mit neuen Technologien weiterentwickelt worden. Dabei geht es bei den Öfen in erster Linie um Maßnahmen zur Steigerung der Energieeffizienz und Vermeidung von Stickoxiden (NO X ) und bei der Bandkühlung um die Erhöhung der Abkühlrate. Letzteres nicht nur unter Effizienzgesichtspunkten, sondern auch zur Erfüllung steigender Ansprüche bei der Erzeugung hochwertiger Stahlsorten, z. B. für den Automobilbau. Kühlraten von 100 bis 120 K/s pro mm Banddicke sind der weit verbreitete Stand der Technik. Mit einem abgeänderten Kühlsystem strebt Drever eine Steigerung auf 150 K/s an. Hierzu laufen gerade vielversprechende Tests mit Gas-Jet-Kühlung, die eine große Weiterentwicklung darstellt. Zur Realisierung setzt das Unternehmen besonders lange Kühlkästen ein, die beidseitig bis nahe an das durchlaufende Band heranreichen und über spezielle Austritte die Gasbeaufschlagung auf das Band beeinflussen. Große Bedeutung in diesem Zusammenhang kommt auch der seit zehn Jahren betriebenen Erhöhung des Wasserstoffanteils auf 15 bis 30 % zu. Die kritische Frage nach dem scheinbar höheren Wasserstoffverbrauch erklärt das Unternehmen mit dem Hinweis auf das besondere Konzept, wonach der Wasserstoff nicht über jede Kühldüse, sondern zentral und damit sehr effizient an nur drei bis vier Stellen im Abkühlraum eingebracht wird. Eine Abkühlung des Bands mit Wasser, welches vor 20 Jahren nicht zielgerichtet möglich war, ist heute durch ein modernes Prozesshandling und neue Techniken als Alternative möglich. SMS Siemag baut derzeit für die Firma Protec in den USA eine Konti-Glühlinie, die wieder mit einer Wasserquench ausgestattet ist. Hier sollen Abkühlraten von >1.000 K/s erreicht werden. Anders verhält es sich bei Edelstahlbändern. Hier verfügt Drever über eine wirksame Wasser-Sprühkühlung. Während Glüh- bzw. Verzinkungslinien bisher als unabhängige Einzelanlagen gebaut wurden, bietet SMS Siemag für Anwendungen, bei denen Wirtschaftlichkeit und Flexibilität im Vordergrund stehen, eine Lösung, welche die beiden Aufgaben Glühen und Verzinken in einer Kombilinie vereint. Dies vor dem Hintergrund, dass die grundsätzliche Funktion des Ofens vergleichbar ist, und der Ofen als das aufwändigste Aggregat der Anlage nur einmal benötigt wird. SMS Siemag liefert derzeitig die dritte einer solchen Anlage, diesmal an die südkoreanische Firma Hyundai Hysco. Die erste Kombianlage arbeitet bereits seit 2006 ebenfalls bei Hysco, eine weitere seit Mitte 2012 bei MMK 4

5 in Russland. Hauptnutzung ist das Verzinken von Automobilband. Maßgeblich für die Auslegung des Ofens ist der Glühvorgang. Die Wärmebehandlung beim Glühen und beim Verzinken erfolgt unterschiedlich und erfordert beim Wechsel kleine Änderungen an der Anlage. Sie ist ähnlich aufgebaut wie die Feuerverzinkungslinie. Allerdings kann das Band im Anschluss an den Glühprozess im Ofen auf zwei unterschiedlichen Wegen weiterverarbeitet werden. Zum einen kann das noch heiße Band wie in der Feuerverzinkungslinie durch einen Zinkkessel geleitet, mit flüssigem Zink überzogen und anschließend abgekühlt werden. Zudem besteht die Möglichkeit, das Band in einen Überalterungsofen zu leiten. Hier wird es bis zu 180 Sekunden bei Temperaturen zwischen 270 C und 430 C behandelt. Dadurch werden Karbide herausgelöst und die Gefahr der Alterung minimiert. Abgeschlossen wird die Glühbehandlung mit einer Abschlusskühlung und einer Wasserschlusskühlung. Somit verfügt die kombinierte Linie über einen Ofen, mit dem ebenso hochwertige Qualitäten erreicht werden können wie in einer modernen kontinuierlichen Glühlinie. Der Umbau von einer Feuerverzinkungslinie in eine reine Glühlinie dauert nur rund 16 Stunden, Bild 2. Eine Sonderstellung nehmen Wärmebehandlungsanlagen für kornorientiertes und nicht-kornorientiertes Elektroband ein. Gemeinsam mit dem Geschäftsbereich Bandanlagen bietet die Thermische Prozesstechnik eine komplette Palette an Einrichtungen für den komplexen Herstellungsprozess an. Das sind Glüh- und Beschichtungslinien (ACL), Glüh- und Beizlinien (APL) sowie Entkohlungs- und Beschichtungslinien (DCL). Bei diesen Anlagen werden die Glühtechnologien des Drever-Ofens mit den Schwebebandöfen nach dem Beschichten kombiniert. Nach der Vorstellung von SMS Siemag gibt der Betreiber künftig vor, welche mechanischen und damit metallurgischen Eigenschaften das von ihm erzeugte Stahlband aufweisen soll. Als Lieferant der Gesamtanlage greift das Unternehmen dann auf Modelle zu, welche den dafür besten Prozess bezüglich Temperaturführung beim Walzen und bei der sich anschließenden Wärmebehandlung abbilden. Um diesen Vorgang reproduzierbar zu gestalten, wird er durch Messungen der erreichten mechanischen Eigenschaften überwacht und gesteuert. Als geeignetes Messverfahren steht aus der Unternehmensgruppe das Impoc System von EMG zur Verfügung. Versuche, die SMS Siemag derzeit an einer Produktionsanlage in Belgien in diese Richtung durchführt, lassen positive Ergebnisse erwarten. Parallel dazu beschäftigt man sich mit der Modellierung mechanischer Eigenschaften und mit deren Messbarkeit im laufenden Prozess. SCHWEBEBANDÖFEN FÜR BESCHICHTUNGSLINIEN Der Einstieg in die Wärmebehandlung von dünneren Stahlbändern sowie in das Trocknen oberflächenbeschichteter Bänder in sog. Schwebebandöfen ergab sich für SMS Siemag 2011 durch die Übernahme des Know-hows und der Mitarbeiter der Firma GATV, mit der bereits eine langjährige Zusammenarbeit auf der Stahlseite bestand. Hier lieferte GATV die Trocknungsöfen beispielsweise für Bandbeschichtungslinien, Bild 3. GATV brachte eine ausgereifte Technologie für Schwebebandöfen sowie für Durchhangöfen für Kohlenstoffund Si-Stähle mit. Zu einem Schwebebandofen gehört neben dem Wärmen immer auch das Kühlen, bei GATV mit Luft und Wasser. Nur damit lassen sich die hohen Abkühlraten erzielen, die Voraussetzung zur Einstellung komplexer metallurgischer Eigenschaften von Sonderstählen sind. Bild 3. Prinzipieller Aufbau eines GATV-Schwebebandofens. Zwei solcher Schwebebandöfen hat SMS Siemag vor kurzem an ThyssenKrupp Steel in Eichen geliefert und zwar zum Trocknen und Härten der Primär- und Finishbeschichtung in einer vorhandenen Bandbeschichtungslinie. Bemerkenswert dabei war der nur vier 5

6 SMS SIEMAG Thermische Prozesstechnik Wochen dauernde Stillstand der Anlage, von der nur das Terminalequipment für den Bandlauf erhalten blieb. Innerhalb dieser Zeit wurden die vorhandenen Ofenmodule demontiert und die komplett vorgefertigten neuen Module eingebaut und in Betrieb genommen. Zur Lieferung von SMS Siemag gehörten auch die Gasreinigungsanlage sowie die Elektrik und Automatisierung. Der Gasreinigung kommt bei Beschichtungslinien nicht nur mit Hinblick auf den Umweltschutz eine große Bedeutung zu. Sie hat auch großen Einfluss im Zusammenhang mit der Energieeffizienz des Ofens. So verfolgt SMS Siemag die Strategie, die Gasreinigung so auszulegen, dass die im Abgas enthaltenen flüchtigen Lackbestandteile wieder dem Verbrennungsprozess zugeführt werden. Das Know-how liegt hier in der Stromführung, Bild 4. Die Wärme in der Abluft wird genutzt um die Lackbestandteile im Gas zu verbrennen. Dies kann so weit gehen, dass der Anlage unter bestimmten Voraussetzungen kein externes Gas zugeführt werden muss, sie erreicht einen autothermen Betriebszustand, der den Energieverbrauch erheblich reduziert und dabei hohe Reinheitswerte der Abluft sichert. So liegt der Kohlenwasserstoffgehalt unter 10 mg/nm 3. Für CO und NO x liegt der Wert jeweils unter 50 mg/nm 3. Dieses Argument hat für SMS Siemag z.b. den chinesischen Markt für Beschichtungslinien geöffnet. WÄRMEBEHANDLUNG VON GROBBLECH SMS Siemag arbeitet an der Modellbildung, z. B. zur Entwicklung von metallurgischen Modellen und Planheits-Modellen. Das Ziel des Unternehmens ist es, die Wärmebehandlung von Grobblech von der bisherigen Praxis, auf einer kurzen Strecke von nur rd. 3 m mit möglichst großen Wassermengen in einem schwer kontrollierbaren Vorgang eine schnelle und hohe Abkühlung zur Bildung eines reinen Martensitgefüges zu erreichen, künftig in einen steuer- und reproduzierbaren flexiblen Prozess zu überführen. Dieser soll es ermöglichen, ähnlich wie bei Bandbehandlungsanlagen, bestimmte Werkstoffeigenschaften punktgenau zu erreichen. Der Lösungsansatz geht vom Gesamtprozess aus, d. h. er schließt den Walzvorgang sowie die Erwärmung und Abkühlung als Ganzes ein. Derzeit Bild 4. TKS Eichen Luft und Medienleitungen. 6

7 wickelt SMS Siemag einen anspruchsvollen Auftrag für eine Wärmebehandlung von Grobblech aus Edelstahl für das schwedische Werk von Outokumpu Stainless AB ab. Bemerkenswert dabei ist, dass das Glühen nicht wie üblich in einem Rollenherdofen stattfindet, sondern in vier parallel angeordneten großen Kammeröfen. Jeweils zwei getrennte und damit unterschiedlich beheizbare Kammern bilden eine Ofeneinheit. Die bis zu 16 m langen Bleche werden über einen vor den Kammern angeordneten Rollgang zu- und abgeführt und gelangen über diesen am Ende in die gemeinsame Quette. Der Vorteil dieser Anordnung liegt in der Flexibilität durch die Möglichkeit der gleichzeitigen individuellen Wärmebehandlung einzelner Bleche aus kleinsten Losgrößen. Der im Verhältnis zu einem Rollenherdofen geringere Platzbedarf der Ofenanlage war ebenfalls ein wichtiges Entscheidungskriterium. Für den Geschäftsbereich Thermische Prozesstechnik ist dies die erste integrierte Wärmebehandlungsanlage für Grobblech, die unter seiner Führung und Verantwortung konzipiert, gebaut und geliefert wird. Alle diese Anlagen werden nach einem einheitlichen, vom Kunden vorgegebenen Standard konstruiert und gebaut. Speziell bei der Wasserwirtschaft gibt es nicht mehr die früher zwischen Lieferant und Kunde festzulegenden take-over points, denn der Kunde kauft hier eine die Materialeigenschaften bestimmende Abkühlrate d. h. einen Gesamtprozess. Dies wird dadurch unterstrichen, dass die ebenfalls von SMS Siemag zu liefernde Elektrik und Automatisierung auch eine Kaltblech-Richtmaschine mit einbindet. Die Inbetriebnahme dieser Installation beim Kunde Outokumpu ist für Herbst 2013 vorgesehen. CSP -ANLAGEN DER NEUESTEN GENERATION SMS Siemag hat das CSP -Verfahren vor 22 Jahren entwickelt und mit bisher weltweit über 28 gelieferten Anlagen einer wirtschaftlich und technologisch bedeutsamen Alternative zur klassischen Warmbanderzeugung zum Durchbruch und dann zur Marktführung verholfen. Auch wenn sich der Investitionsboom früherer Jahre zuletzt etwas abgeschwächt hat, bleibt die Nachfrage sowohl nach Neuanlagen, aber auch nach der Modernisierung der Erstanlagen dennoch so hoch, dass das Unternehmen in die Weiterentwicklung des Verfahrens investiert. Dies gilt auch für den Tunnelofen, der eine wichtige Rolle bei der Temperaturführung zwischen der Gießmaschine und dem Walzwerk übernimmt. Diese Öfen wurden bisher von einer externen Ofenbaufirma geliefert. Künftig sind sie ein wichtiges Produkt des hauseigenen Geschäftsbereichs Thermische Prozesstechnik in Zusammenarbeit mit der SMS Elotherm. Die Entwicklung eines eigenen Tunnelofens bietet dem Unternehmen die Gelegenheit, neueste Erkenntnisse zum Thema Energieeffizienz und Umweltbelastungen mit zu berücksichtigen. Dieses Thema bestimmt nicht nur den Wettbewerb bei Neuanlagen, sondern es ist auch ein wesentlicher Treiber für die Modernisierung vorhandener Linien. Somit ist der Energieverbrauch pro Tonne erzeugten Materials heute im Fokus aller Investitionsentscheidungen. Tatsache ist, dass der größte Energieverbrauch der gesamten Anlage im Ofen stattfindet. Um hier mit einer Reduzierung anzusetzen, sind verschiedene Kriterien zu betrachten. Die Höhe des Energieverbrauchs ist nicht nur eine Frage der Ofenkonstruktion, sondern es ist auch sehr stark prozessgeprägt. So verfolgt das Unternehmen zwischen den Eckpunkten Erhöhung der Gießtemperatur und Reduzierung der Walz-Ziehtemperatur auch den Einsatz einer induktiven Zwischenerwärmung zwischen den Ofensegmenten. Auch haben die Ofenrollen einen großen Einfluss auf den Energieverbrauch eines Ofens. Die wassergekühlten Rollen haben einen um 25 bis 30 % geringeren Wärmeverlust, eine derzeit verfolgte Entwicklung trockener Ofenrollen lässt sogar um bis zu 90 % geringere Wärmeverluste erwarten. Weitere zu berücksichtigende Faktoren sind die Auswahl des Feuerfestmaterials, die Brennerkonstruktion und die Gestaltung des Abgassystems. Von der Auslegung des eigenen Ofens im Zusammenspiel mit der Gießmaschine und dem Walzwerk sieht das Unternehmen ein neues CSP -Konzept als Antwort auf die heutigen gestiegenen Marktanforderungen, namentlich im Hinblick auf den Energieverbrauch. Unabhängig davon, ob elektrische Energie oder Gasenergie zum Einsatz kommt, das entscheidende sind immer die verbrauchten kwh pro erzeugter Tonne Stahl. Damit hat die CSP -Diskussion für SMS Siemag eine neue Dynamik bekommen. 7

8 SMS SIEMAG AG Geschäftsbereich Thermische Prozesstechnik Graf-Recke-Straße Düsseldorf Telefon: Telefax: Internet: MEETING your EXPECTATIONS W7-219D 500/02/14. ky. Printed in Germany Die in dieser Druckschrift enthaltenen Informationen beschreiben Leistungseigenschaften von Produkten im Allgemeinen. Die Leistungseigenschaften von gelieferten Produkten können von den in der Broschüre beschriebenen Eigenschaften abweichen. Insbesondere können sich diese Eigenschaften durch Weiterentwicklung von Produkten ändern. Die in dieser Druckschrift enthaltenen Informationen entfalten keine Rechtswirkung. Zur Lieferung von Produkten mit spezifischen Eigenschaften sind wir nur verpflichtet, wenn dies ausdrücklich vereinbart ist.