Online-Messung der Säurenund. in Beizbädern

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1 Online-Messung der Säurenund Metallsalz-Konzentration in Beizbädern VDEh-Betriebsforschungsinstitu t GmbH Die gezielte Einstellung der optimalen Konzentrationen von freien Säureanteilen und Metallen in industriellen Stahlbeizbädern ist von großer Bedeutung für eine gleichbleibend hohe Produktqualität und Anlagenproduktivität. Mit einer manuellen Konzentrationsüberwachung, ist dies aufgrund des Personal- und Materialaufwandes nur eingeschränkt möglich. Das BFI hat für eine kontinuierliche Konzentrationsüberwachung in Beizbädern die Online-Messtechnik DynAcid entwickelt. Modell-Kennlinienfeld Ziele des Online-Messverfahrens: Kontinuierliche Information über die Säurenund Metallsalz-Konzentration Automatisierbare Beizbadregelung Optimierte Beizbadzusammensetzung für gleichbleibend hohes Beizergebnis Steigerung von Produktqualität und Produktivität Einsparung von zeit- und kostenintensiver chemischer Analytik Eigenschaften des Verfahrens: Mobile Messstation Konzentrationsbestimmung auf Basis eines physikalisch-mathematischen Modells Robuste, erweiterbare Messtechniklösung Verfügbar für HCl- und H 2 SO 4 -Beizlösungen Innovative Prozessregelung von Beizlinien, automatisierte Säuredosierung,... Weitere Applikationen in Entwicklung (z.b. Säuregemische HNO 3 -HF-Metalle, HCl-Fe 2+ -Fe 3+, ) Betriebliche Applikation Dr.-Ing. Matthias Werner Tel: matthias.werner@bfi.de

2 Feststoffabtrennung aus Prozessbädern Eine kontinuierliche Feststoffabtrennung aus Prozessbädern sichert die Produktqualität, erhöht die Produktivität durch geringere Ausfallzeiten und verringert den Wasser- und Chemikalienbedarf durch längere Standzeiten der Prozessbäder. Ziele der Feststoffabtrennung: Kontinuierliche Abtrennung unerwünschter Feststoffe aus Prozessbädern Längere Standzeiten der Prozessbäder und geringerer Chemikalienbedarf (Kostenersparnis, ggf. Wertstoffrückgewinnung) Verringerter Verschleiß durch Abrasion an Anlagenkomponenten Weniger (ungeplante) Stillstandzeiten und geringerer Reinigungsaufwand der Betriebsanlagen sowie Peripherie Mobile Technikumsanlage Eigenschaften des Verfahrens: Mikrofiltration ermöglicht eine Abtrennung von Feststoffen gemäß den jeweiligen Prozessanforderungen (bzgl. Trenngrenze) Geeignet für aggressive Säurebäder (Salzund Schwefelsäure), bspw. zur Siliziumabtrennung mit Partikelgröße > 0,05 µm Mikrofiltration zur Feststoffabtrennung Geeignet zur Feststoffabtrennung von Zunder- und nicht-magnetischen Partikeln aus Prozessbädern der stahl- und metallverarbeitenden Industrie (bspw. Kühlwässer, Elektrolyte, Entfettungsbäder, Emulsionen) Dr.-Ing. Ralf Wolters Tel:

3 Membrananlagen-Service Verfahrensentwicklung Das VDEH-Betriebsforschungsinstitut BFI besitzt umfangreiche Erfahrungen in der Beratung zu Membranverfahren und der Betreuung von Membrananlagen: Ziele des Membrananlagen-Service: Instandhaltung von Membrananlagen in Industrie-Betrieben (Pflege, Wartung) Problembeseitigung (bspw. bei schlechter Filtratqualität oder sinkendem Permeatfluss) Verfahrensentwicklung und Optimierung Technikumsanlage Eigenschaften und Vorteile: Membranscreening und Verfahrensauswahl im BFI-Labor und Technikum Bei Bedarf Erprobung bzw. Verfahrensoptimierung vor Ort mit betrieblichen oder BFI-Technikumsanlagen Verfahrensauswahl für Membranprozesse und Konzeptionierung von Membrananlagen Beratung beim Modulkauf Auswahl geeigneter Reinigungsprozeduren zur Vermeidung von Membranverblockung Begleitende Analytik durch das BFI-Labor Industrielle Membrananlage Dr.-Ing. Ralf Wolters Tel:

4 Wertmetallrückgewinnung (Nickel, Mangan, Zinn, Zink ) Zur Beschichtung und für den Korrosionsschutz werden in der metall- und stahlverarbeitenden Industrie Wertmetalle (bspw. Nickel, Mangan, Zinn, Zink, Kupfer, Chrom ) eingesetzt. Der Einsatz von Wertmetallen ist ein entscheidender Kostenfaktor in der Produktion und eine Rückgewinnung essentiell zur Ressourcenschonung: Mobile Membrananlage vor Ort Ziele der Wertmetallrückgewinnung: Rückgewinnung von gelösten Wertmetallen aus Prozessbädern und Spülwässern (z.b. Nickel/Mangan/Zink bei der Phosphatierung in der Automobilindustrie oder Zink bzw. Zinn bei der elektrolytischen Beschichtung von Stahl) Einhalten von Einleitkriterien (z.b. für Nickel) in der Abwasserbehandlung Kosteneinsparung/Ressourcenschonung durch Kreislaufschließung und Wiedereinsatz von Wert- und Edelmetallen Wickelmodul (NF/UO) Eigenschaften des Verfahrens: Rückgewinnung der Wertmetalle gemäß den jeweiligen Prozessanforderungen durch Nanofiltration/Umkehrosmose, Extraktion im Mixer-Settler oder im innovativen Membrankontaktor, Elektrolyse und Elektrodialyse Membrankontaktor-Anlage mit selektivem Extraktionsmittel Geeignet auch für saure Prozessbäder und deren Spülwässer (Säure-Rückgewinnung) Begleitende Analytik durch das BFI-Labor möglich Elektrolyse/Elektrodialyse Dr.-Ing. Ralf Wolters Tel: ralf.wolters@bfi.de

5 Kontinuierliche Ölabtrennung aus Entfettungsbädern Vor der Oberflächenveredelung erfolgt die Reinigung des Stahlbands in einem Entfettungsbad. Hierbei erfolgt ein ständiger Öleintrag in das Prozessbad. Eine kontinuierliche Ölabtrennung dient der Badpflege und ermöglicht längere Standzeiten. Ziele der Ölabtrennung: Betriebsversuch an einem Entfettungsbad Kontinuierliche Ölabtrennung bei der Entfettung von Stahlband sichert eine höhere und gleichbleibend hohe Produktqualität Kosteneinsparung durch längere Standzeiten der Entfettungsbäder Eigenschaften des Verfahrens: Selektives Membrantrennverfahren ermöglicht die Abtrennung der Ölbestandteile und weiterer Verunreinigungen (Feststoffpartikel) Verfahrensauswahl und Membranscreening im BFI-Labor Diverse Anlagentechnik (z.b. Ultrafiltration, Verdampfung, chemische Spaltung, Ölskimmer, end-of-pipe Technologien zur Einhaltung von Grenzwerten) zum Vergleich Begleitende Analytik durch das BFI-Labor möglich Membrananlage zur Ölabtrennung Dr.-Ing. Ralf Wolters Tel:

6 Hochdruck-Wasserstrahlen zur Entzunderung von Stahl Energie- und Ress ourcentechnik Das Beizen von Edelstahl erfolgt in mehreren Schritten mit hohem Chemikalieneinsatz und Zeitaufwand. Bei Edelstahl-Draht mit hoher Chrom- und Nickellegierung muss ein nennenswerter Prozentsatz der Drahtcoils mit doppeltem Durchlauf durch die gesamte Beizanlage behandelt werden. Durch einen Behandlungsschritt ohne Säureeinsatz mittels Hochdruck-Wasserstrahlen soll der Draht von dem mechanisch entfernbaren Zunderanteil gereinigt werden. Unvollständig entzunderter Draht Ziele des Hochdruck-Wasserstrahlens: Zunderfreie Oberfläche nach einfachem Durchlauf durch die Beizlinie, auch bei hochlegierten Drahtgüten Vermeidung von Doppel-Durchläufen und somit Steigerung der Anlagenkapazität Verringerung des Verbrauchs von Vorbehandlungs-Chemikalien und Säuren Verringerung der Entsorgungskosten Eigenschaften des Verfahrens: Hochdruck-Wasserstrahlen am Coil Einsatz des Hochdruck-Wasserstrahlens zur Entzunderung nicht nur für Flachstahl, sondern auch für Drahtcoils Anpassung von Düsengeometrie, Wasser- Volumenstrom und Strahldruck an die industriellen Anforderungen, Druckbereich bar Kreislaufführung des Strahlwassers nach Abtrennen der Zunderpartikel Draht nach Wasserstrahlen Dr.-Ing. Barbara Wendler Tel:

7 Ionenaustausch zur Kreislauf- Schließung für Spülwässer und Schlacken-Waschwässer Wasser wird in der Stahlindustrie in diversen Prozessen zum Kühlen, Waschen oder Spülen eingesetzt und reichert sich dabei mit Ionen an. Um das Wasser im Kreislauf führen zu können, müssen die Ionen entfernt werden. Ein Beispiel hierfür sind Spülen in Beizlinien und Beschichtungslinien. Ein weiteres Beispiel sind Wässer, die zum Kühlen und Waschen von Stahlwerksschlacken eingesetzt werden. Ziele der Spülwasser-Behandlung: Analyse des Chlorideintrags in Spüle Senke für eingetragene Ionen als Voraussetzung für Kreislaufschließung Sicherung der Spül-/Waschwirkung durch konstant gute Wasserqualität, Vermeidung von Verschleppung in nachfolgende Stufen Wassereinsparung Beispiel Chlorideintrag in Spülwasser: Ionenaustausch zur Entfernung von Chlorid, Sicherung der Spülwasserqualität, Vermeidung von Chlorideintrag in Linie Beispiel Wasch-/Kühlwässer für Schlacke: Hohe Ionenkonzentration kann die Eluatwerte der Schlacke verschlechtern, die für Verwertung wichtig ist. Kritisch sind z.b. Fluorid, Chromat, Vanadat, Molybdat. Labortest von Ionentauscher-Harzen Die Entfernung dieser Ionen ist Voraussetzung für Kreislaufführung der großen Waschwassermengen. Behandlungsverfahren, u.a. Ionenaustausch werden im Labor- und Technikumsmaßstab, ggf. direkt vor Ort, untersucht. Schlacke im Wasserbau (Quelle: FEhS) Dr.-Ing. Barbara Wendler Tel:

8 Messung der Partikelkonzentration in Dünnschlamm aus der Vakuumentgasung In der Stahl- und Metallindustrie werden Kühlwässer eingesetzt. Produktionsbedingt kommt es zur Verunreinigung mit Partikeln und der Entstehung von Dünnschlamm (beispielsweise Vakuumentgasung). Die Behandlung/Entwässerung von Dünnschlämmen erfordert die genaue Messung der Feststoffkonzentration zur Dosierung von Flockungshilfsmitteln. Konventionelle Messverfahren sind aufgrund der hohen Feststoffgehalte nicht anwendbar, sodass die Flockungsmittel i.d.r. volumenstrom-proportional dosiert werden. Die Folgen sind u.a. die Überdosierung des Flockungs-hilfsmittels und damit verbunden eine negative Beeinflussung der nachgeschalteten Behandlungsanlagen/Kiesfiltern sowie einem hohen Flockungshilfsmittelverbrauch. Ziele der Messung der Partikelkonzentration in Dünnschlamm: Konzentrationsmessung im Betriebseinsatz Messkurve während des Betriebseinsatzes Messung der Feststoffkonzentration bis 250 g/l im Dünnschlamm Bedarfsgerechte Flockungshilfsmitteldosierung Beispiel Dünnschlamm Beratung und Unterstützung zur Optimierung der Dünnschlammmessung und behandlung bzw. bei Verfahrensauswahl Durchführung von Versuchen unter Betriebsbedingungen mit dem BFI- Messverfahren zur Anpassung des Systems an die betrieblichen Gegebenheiten Erstellung betrieblicher Dünnschlammbehandlungskonzepte Tel:

9 Chemikalienfreie Abscheidung magnetischer Partikel aus Kühlwässern In der eisen-, stahl- und metallverarbeitenden Industrie erfolgt produktionsbedingt der Eintrag von metallischen Partikeln (z.b. Zunder) in Kühlwasserkreisläufe. Die Entfernung der metallischen Partikel erfolgt in Absetzbecken und z. B. in nachgeschalteten Sandfiltern unter Einsatz von Flockungshilfsmitteln. Hierbei fällt ein gering konzentrierter Dünnschlamm an, der weiter entwässert und kostenintensiv entsorgt werden muss. Mit der Entsorgung gehen Wertstoffe (Eisen, Legierungselemente) verloren. Ziele der Starkfeldmagnetabscheidung: Konzentrat Ablauf Spülwasser Zulauf Selektive Abscheidung magnetisierbarer Partikel, insbesondere < 10 µm Abscheidegraden größer 90 % bei verschiedenen Werkstoffgüten und Zundergrößen Mobile Versuchsanlage zur Starkfeldmagentabscheidung im Einsatz Schließung von Stoffkreisläufen durch metallurgische Verwertung der Wertstoffe Eigenschaften des Verfahrens unbehandelt behandelt Zunderspezifische Anordnung der Magnete Hohe Aufkonzentrierung der Partikel (Faktor ) im Vergleich zur Sandfiltration (Faktor ) Verringerung des weiter zu behandelnden Schlammvolumenstroms um den Faktor 10 im Vergleich zu konventionellen Verfahren Faktor 10 geringerer Flächenbedarf im Vergleich zur Sandfiltration Kühlwasserproben vor und nach der Starkfeldmagnetabscheidung Konstante Ablaufkonzentration bei schwankenden Zulaufkonzentrationen im Bereich von 100 mg/l bis mg/l Belegte Magnete in der mobilen Versuchsanlage Tel:

10 Zeitnahe Überwachung der biologischen Aktivität in Emulsionen und Kühlwassern In der Stahl- und Metallindustrie kommt es produktionsbedingt zu einer Verunreinigung von Kühlwasser und Emulsionen mit Bakterien/Mikroorganismen. Folgen dieser mikrobiologischen Aktivität sind die Abnahme der Kühl-/Schmierwirkung bzw. des Wärmeübergangs in Wärmetauschern und Geruchsbildung. Verfügbare Verfahren zur Bestimmung der mikrobiologischen Aktivität haben einen Zeitverzug von bis zu 5 Tagen zwischen Probenahme und Ergebnis. Eine zeitnahe Reaktion etwa durch Bioziddosierung kann so nicht erfolgen. Messgerät zur Erfassung der biologischen Aktivität mit Probenahmestiften Ziele der zeitnahen Erfassung der biologischen Aktivität: Messung der mikrobiologischen Aktivität in ca. 5 Minuten zur zeitnahen Steuerung der Bioziddosierung, Sicherung gleichbleibender Emulsions- /Kühlwassereigenschaften Verlängerung der Standzeiten von z.b. Emulsionen Beispiel Kühlwasser/Emulsion Durchführung von Versuchen unter Betriebsbedingungen mit dem BFI- Messverfahren zur Erstellung einer Applikationsstrategie Erstellung betrieblicher Überwachungskonzepte Versuchsanlage zur Simulation verschiedener Betriebszustände in Emulsionen und Kühlwässern und deren Auswirkung auf die mikrobiologische Aktivität Beratung und Unterstützung zur Optimierung der Kühlwasser- und Emulsionsüberwachung/Verfahrensauswahl Tel:

11 Kreislaufführung von Prozesswässern durch selektive Salzabtrennung Beim Betrieb von Gaswaschwasser-, Kühlwasser- und Spülwasserkreisläufen erhöht sich die Salzkonzentration stetig. Dies ist auf den Salzeintrag über Prozessgase, Beizsäuren und Chemikalien zur Wasserkonditionierung sowie auf die Wasserverdunstung zurückzuführen. Hohe Salzkonzentrationen verursachen Korrosion 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. Korrosion in einem Rohr aus einem Kühlwasserkreislauf Ziele der selektiven Salzabtrennung: Verminderung des Frischwasserbedarfes und des Abwasseranfalls Nachhaltige Infrastrukturbewirtschaftung Minimierung des Salzeintrags in die Prozesswasserkreisläufe und in die Umwelt Vakuumdestillation eines salzhaltigen Prozesswassers (rechter Kolben) in einem Rotationsverdampfer Wiederverwendung von reinen Salzen Beispiel zur Optimierung eines Beizbetriebs: Trennung konzentrierter und schwach belasteter Prozesswässer Verbessertes Regenerationssystem für die gebrauchte Säure Wiederverwendung von Spülwassern aus der Oberflächenbehandlung mit Hilfe der Umkehrosmose oder Vakuumdestillation Fällung von reinen Salzen aus dem Konzentrat und deren Wiederverwendung in der Bauindustrie Dr.-Ing. Pavel Ivashechkin Tel:

12 Nutzung der Abwärme zur Verminderung des CO 2 - Ausstosses und des Kühlwasserverbrauches Energie- und Ressourc entechnik Zur Stahlproduktion und verarbeitung sind Temperaturen über 1000 C notwendig. Daher fällt bis zu 70% der Primärenergie als Abwärme an. Die Abwärme wird zum Teil in die Prozesse zurückgeführt und zum Teil an die Umgebungsluft abgegeben. Durch eine weitergehende Wiederverwendung der Abwärme könnten Energiekosten und CO 2 -Ausstoss reduziert und die Wettbewerbsfähigkeit der Europäischen Stahlindustrie erhöht werden. Energieströme in einer Stranggießanlage Ziele der Abwärmenutzung: Verminderung des Energiebedarfes Verminderung des CO 2 -Ausstosses Verminderung der Kühlwassermengen Kosteneinsparung Glühender Drahtcoil in einem Wasserbad Beispiele der Abwärmenutzung: Dampferzeugung aus Brammenabwärme Kälteerzeugung aus Abgasabwärme mit einer Absorptionswärmepumpe zur Klimatisierung von Arbeitsplätzen CO 2 -Einsparung und Verminderung des Erdgasverbrauches durch die Brennluftvorwärmung in einer Warmwalzstraße Kühlwassereinsparung in einer Gießerei durch die Abwärmenutzung für die Hallenheizung Stromerzeugung mit Organic Rankine Cycle aus der Abwärme eines Ofens Brennluftvorwärmung mit Hilfe des überhitzten Wassers Dr.-Ing. Pavel Ivashechkin Tel: pavel.ivashechkin@bfi.de

13 Behandlung von Abwässern mit gelösten und emulgierten Stoffen (Öle, Metalle, Cyanide) In der stahlerzeugenden und metallverarbeitenden Industrie fallen im großen Maßstab Abwässer mit gelösten und emulgierten Stoffen (Öle, Metalle, Cyanide) an, deren Einleitung limitiert ist. Beispiele sind Emulsionen, Beiz- und Galvanikspülwässer oder Gaswaschwässer. Die Abwässer werden mechanisch, thermisch oder chemisch vor der Ableitung bzw. Entsorgung behandelt. Ziele der Abwasserbehandlung: Sichere Einhaltung der Einleitkriterien Verringerung der Entsorgungsmengen/- kosten BFI-Versuchsreaktor Beispiel Behandlung einer Altemulsion Herstellerunabhängige Beratung bei Ermittlung geeigneter Abwasserbehandlungsverfahren und Spaltmittel Verfahrensparameterwahl in Labor- Technikums- und Betriebsversuchen Konzepterstellung zur Abwasserbehandlung eines Walzwerkes (ölhaltige Abwässer) Weitere Beispiele und Arbeiten Beratung und Unterstützung bei der Verfahrensauswahl (Analysen, Erprobung Angebotsvergleiche) - Optimierung der Prozesswasserbehandlung (Kühlwasser, Beizabwasser) Gespaltene Emulsion Konzepterstellung zur Optimierung der betrieblichen Abwasserbehandlung und Wasserwirtschaft (Senkung des Cyanid- Gehaltes in Gaswaschwässern bzw. Sulfid- Eliminierung) Tel:

14 Behandlung von betrieblichen Schlämmen Im Rahmen der innerbetrieblichen Abwasserbehandlung (z.b. Flotation, Neutralisation) fallen in der Metallindustrie verschiedenartige wasserreiche Schlämme (z.b. Flotat-, Hydroxidschlämme) sowie produktionsbedingt wasserreiche Ölphasen bzw. ölhaltige Schlämme (z.b. Schleifschlamm, Zunder) an, die kostenintensiv entsorgt werden müssen. Ziele der Schlammbehandlung: Verringerung der Anfallmengen und Entsorgungskosten Aufkonzentrierung für eine thermische oder metallurgische Verwertung Mobile Membrankammerfilterpresse Beispiel Behandlung einer Ölphase Entsorgung einer wasserreichen Ölphase Ermittlung geeigneter Entwässerungschemikalien und Prozessbedingungen (Laborversuche) für eine thermische Verwertung Durchführung von Versuchen unter Betriebsbedingungen mit BFI-Anlagen Beispiel Behandlung eines Schleifschlamms Ölaustrag mit Schleifschlamm Entölung von Schleifschlämmen zur Rückgewinnung von Schleiföl und zur metallurgischen Verwertung Versuchsanlage zur Schlamm- Aufkonzentrierung mit rotierenden Membranscheiden Beratung und Unterstützung bei Ermittlung geeigneter Verfahrensparameter (Analysen, Angebotsvergleiche, Laborversuche) Parameteranpassung unter Betriebsbedingungen (Betriebsversuche) Dr.-Ing. Martin Hubrich Tel:

15 Online-Überwachung der Polymerkonzentration in Abschreckbädern VDEh-Betriebsforschungsinstitu t GmbH Für ein optimales Härteergebnis in Polymerlösungen sind die Polymerkonzentration und die Temperatur entscheidend. Zur Qualitätssicherung ist eine automatische Überwachung dieser Parameter zu empfehlen. Für den Parameter Polymerkonzentration wurde in BFI ein neues Online-Überwachungsverfahren entwickelt. Es basiert auf einer Online-Messung der Temperatur (T) und der elektrischen Leitfähigkeit (LF) einer Polymerlösung. Die Polymerkonzentration wird mit Hilfe eines mathematischen Modells berechnet. Ziele der Online-Überwachung der Polymerkonzentration: Online-Messgerät mit der Messsonde Kontinuierliche Dokumentation des Badzustandes als Garantie für Produktqualität Verminderung des Überwachungsaufwandes Schnelle Identifizierung und Nachverfolgung von Störungen im Abschreckprozess Automatische Polymerdosierung Zertifizierung des Betriebes Eigenschaften des Messverfahrens: Hohe Genauigkeit von +/-1% (absolut) für alle relevante Polymerprodukte wurde in Betriebsversuchen bestätigt Flexibler Einbau im Bad oder in einer Rohrleitung Wartungsarm: das Verfahren basiert auf bewährten Techniken zur Temperatur und Leitfähigkeitsmessung Beispiel zum Einbau der Sonde in einem Abschreckbad Dr.-Ing. Pavel Ivashechkin Tel: pavel.ivashechkin@bfi.de