Energieeffizientes Vakuum für Wärmebehandlung und Metallurgie

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1 Energieeffizientes Vakuum für Wärmebehandlung und Metallurgie Ökobilanz durch modernste Vakuumpumpen verbessern Dipl.-Ing. Uwe Zöllig Wie können Produkte ressourcenschonend und energieeffizient gestaltet werden? Mit dieser Thematik befasst sich die Energie- Effizienz-Richtlinie 2009/125/EC. Das Ziel ist die nachhaltige Verbesserung der Ökobilanz, also die Reduzierung des CO 2 -Ausstoßes energiegetriebener Maschinen und Anlagen in Europa über die gesamte Produktlebensdauer. Die Vorgaben betreffen die Konstruktion und das Design moderner Industrieöfen und damit auch die Vakuumpumpen. Die Forderung der davon betroffenen Industriebranchen, die daraus folgt, ist nachvollziehbar und klar: Die Umsetzung der Vorgaben darf sich nicht zu Lasten der Produktivität auswirken. Entsprechend sind neue Vakuumpumpen so auszulegen, dass die Motoren die geforderten Mindestwirkungsgrade erreichen, ohne die Applikationseignung der Produkte einzuschränken. Oberste Priorität haben immer die zuverlässige Erzeugung des benötigten Vakuumniveaus und der reibungslose Betrieb eines Vakuumsystems. Hohe Zuverlässigkeit wird hauptsächlich durch bewährte Technologien, wie ölgedichtete Sperrschieber- oder Drehschieberpumpen, Wälzkolbenpumpen und Diffusionspumpen erreicht. Daneben haben sich aber auch moderne Technologien, wie das Funktionsprinzip der trockenverdichtenden Schraubenvakuumpumpe bewährt. Die Schraubenpumpe arbeitet selbst unter rauesten Bedingungen störungsfrei. Doch wie lässt sich der Energieverbrauch der Pumpen senken? Moderne Vakuumlösungen mit trockenverdich- tenden Schraubenvakuumpumpen und Wälzkolbenpumpen können einen entscheidenden Beitrag zum Erreichen der Energiesparziele leisten. Zudem lassen sich beim Einsatz konventioneller Drehschieber- oder Diffusionspumpen noch viele Energiespar-Potentiale ausschöpfen. für Industrieöfen heutiger Standard Ölgedichtete Vorvakuumpumpen mit Wälzkolbenpumpen sind Standard in vielen Wärmebehandlungsanlagen, weil sie eine hohe Funktionalität und niedrige Kosten bieten. Drehschieberpumpen sind weltweit verbreitet; Sperrschieberpumpen vor allem in den USA und Asien. Letztere sind sehr robust, sind jedoch eigentlich technisch überholt, da es mittlerweile für die meisten Vakuumprozesse alternative Pumpentypen gibt, die entweder noch robuster oder aber ressourcenschonender sind. Beim Glühen, Härten und Anlassen, in denen das Vakuumsystem nur gering belastet wird, sind ölgedichtete Drehschieberpumpen eine zuverlässige Lösung. Sie arbeiten stabil im Prozess und sind günstig in der Anschaffung und im Energieverbrauch. Sperrschieberpumpen sind hier ebenfalls häufig im Einsatz. Ihre erhöhte Robustheit wird hier aber nicht benötigt und wird durch einen höheren Stromverbrauch teuer erkauft. Auch trockenverdichtende Schraubenpumpen werden vermehrt in solchen Standardanwendungen eingesetzt typischerweise von Anwendern mit großer installierter Basis, die sie vor allem wegen des deutlich reduzierten Wartungsaufwands schätzen. In anspruchsvollen Anwendungen wie Vakuumlöten oder Nitrieren werden zunehmend trockenverdichtende Schraubenpumpen als Vorvakuumpumpen eingesetzt, weil sie im Vergleich zu ölgedichteten Pumpen leistungsfähiger und zuverlässiger sind, aber vor allem einen deutlich reduzierten Wartungsaufwand erzeugen. Je nach Applikation wird das Wartungsintervall auf einen Ölwechsel alle ein bis vier Jahre reduziert. Bei extrem schmutzigen Applikationen wie Sintern oder Aufkohlung haben sich Schraubenpumpen einer speziellen Pumpenfamilie bewährt. Diese Pumpen verfügen über eine Rotor-Innenkühlung und sind daher extrem kalt, was das Aufbacken von Belägen reduziert. Dazu verfügen sie über eine fliegende Lagerung, was den Vorteil erzeugt, dass der Schöpfraum dieser Pumpenfamilie vor Ort einfach 50 Pumpen, Kompressoren und prozesstechnische Komponenten 2012

2 vom Kunden selber gereinigt werden kann. Nachteilig bei dieser Generation von Schraubenvakuumpumpen ist der im Vergleich zu ölgedichteten Drehschieberpumpen oder neuesten Schraubenpumpen durchschnittlich höhere Energieverbrauch. für Metallurgie heutiger Standard In der Metallurgie wird Vakuumtechnik zur Entgasung von Stahl und Nichteisenmetallen eingesetzt. In der Produktion von Sonderlegierungen in kleinen Chargen findet man typischerweise Anlagen des VIM- oder VAR- Typs. Diese sind traditionell zumeist mit Kombinationen aus Sperrschieberpumpen und Wälzkolbenpumpen ausgestattet. Sperrschieberpumpen sind deswegen im Einsatz, da sie gegenüber den anfallenden Metall- und Metalloxid-Stäuben eine höhere Verträglichkeit im Vergleich mit Drehschieberpumpen zeigen. Trotz vorgeschalteter Staubfiltration haben diese Pumpen dennoch einen hohen Wartungsbedarf. An Neuanlagen setzten sich deswegen immer mehr trockenverdichtende Schraubenvakuumpumpen durch, da sie diese Prozesse ohne jegliche Erhöhung des Wartungsaufwands meistern können. Diese Pumpen sind hier sehr erfolgreich eingeführt worden. Massenstähle werden typischerweise in Chargengrößen zwischen Tonnen in Anlagen der Typen VD, VOD, VC oder RH unter Vakuum nachbehandelt. Da hier sehr große Saugvermögen benötigt werden, ist dies traditionell ein Einsatzfeld für Dampfstrahlsysteme. Diese arbeiten seit Jahrzehnten zuverlässig, haben aber mehrere Nachteile: Es wird sehr viel Energie zur Erzeugung des Treibmittels Dampf benötigt Es entstehen große Mengen an staubbeladenem Abwasser Eine regelmäßige Reinigung des verkrusteten Düsensystems ist nötig Vor allem die Energieeinsparung von rund 90 Prozent bringt immer mehr Anwender dazu, trotz des großen Saugvermögensbedarfs typischerweise zwischen und m³/h die Dampfstrahler durch ein mechanisches Vakuumsystem zu ersetzen. Erst die Entwicklung der robusten Schraubenvakuumpumpen hat hier der mechanischen Technologie zum Durchbruch verholfen, da die riesigen Staubmengen von ölgedichteten Pumpen oder Trockenläufern älteren Typs kaum vertragen werden. Kombinationen aus robusten Wälzkolbenpumpen unterstützt von größeren Schrauben-Vakuumpumpen sind hier erfolgreich im Einsatz. Effizientere Prozesse durch moderne Pumptechnologien Den heutigen Standard bilden Schraubenpumpen mit veränderlicher Steigung; die kontinuierliche Verdichtung entlang der Schraube minimiert den Energieverbrauch. Ältere Schrauben- Technologien mit gleichbleibender Steigung sowie andere trockenverdichtende Pumpen mit mehreren Wälzkolben- oder Klauen-Stufen haben eine deutlich höhere Leistungsaufnahme. Kraftvolle technik, leichtes spiel Die neuen vortex-pumpen vx 24 UnD 34 Unsere VX-Tauchmotorpumpen mit Freistrom-Laufrädern bieten jetzt die Lösung für neue Herausforderungen in der Abwassertechnik: Energiesparend und wirtschaftlich dank verbessertem Wirkungsgrad Verstopfungsfrei und verschleißarm durch optimierte Vortex-Hydraulik Flexibel einsetzbar für unterschiedlich belastete Fördermedien

3 Aber selbst die Vielzahl heutiger Schraubenpumpen mit veränderlicher Steigung unterscheidet sich wesentlich voneinander. Die meisten Pumpen der 600 m³/h-klasse erfordern bei einem typischen Ofenbetriebsdruck unter 1 Millibar eine Leistung von rund 10 Kilowatt ein deutlich höherer Wert verglichen mit einer Drehschieberpumpe. Bei der Entwicklung der neuen Schraubenvakuumpumpen-Serie war die Absenkung des Energieverbrauchs eines der Hauptziele. Die Leistungsaufnahme einer der modernsten Pumpen dieser Bauart beträgt sogar nur noch 6,9 Kilowatt bei 1 Millibar und liegt damit sogar unterhalb der einer vergleichbaren Drehschieberpumpe. Durch eine optimierte mechanische Rotorkonstruktion und das integrierte Motorkonzept mit angepasstem Frequenzwandler wird so ein neuer Maßstab für den Energieverbrauch von Vorvakuumpumpen gesetzt. Wälzkolbenpumpen werden an sehr vielen industriellen Applikationen eingesetzt. Ihre Konstruktion hat sich seit Jahrzehnten kaum verändert. Der Energieverbrauch ist verglichen mit Vorvakuumpumpen niedrig. Neue Motorentechnologien, wie bei der Abb. 1: Aufbau der hermetisch-dichten Schraubenpumpe mit zwei Rotoren mit variabler Steigung und von einem Frequenzwandler angetriebenem Einbaumotor mit hohem Wirkungsgrad Abb. 2: Der neueste, höchst energieeffiziente Standard für anspruchsvolle Wärmebehandlungsanwendungen Abb. 3: Motorkonzept einer Standard-Wälzkolbenpumpe (links) und der innovativen Wälzkolbenpumpe (rechts). neuesten, innovativen Wälzkolbenpumpen-Familie im Einsatz, haben aber auch hier weitere Reduktionen des Energiebedarfs ermöglicht. Wälzkolbenpumpen beruhen mehrheitlich auf Standardkonstruktionen mit Flanschmotoren und Simmering-Wellendichtungen. In vielen Vakuumtechnik eines bekannten Kölner Unternehmens wird in der Stahlindustrie schon seit vielen Jahrzehnten eingesetzt. In kleineren Anlagen (Vakuum Induktionsschmelzen) bestehen häufig aus ölgedichteten Vorvakuum pumpen, Wälzkolbenpumpen und Öldampfstahlpumpen. Schon in den 80er Jahren gab es erste Installationen mit voreinlassgekühlten Wälzkolbenpumpen an VD-(Vakuum entgasung) und VOD- (Vakuum Sauerstoff Entkohlung) Anlagen. Durch die Entwicklung moderner und innovativer trockenverdichtender Schrauben-Vakuumpumpen und Wälzkolbenpumpen ergeben sich heute völlig neue Möglichkeiten, kos tengünstige und nahezu wartungsfreie Standard- für diesen Markt anbieten zu können. Es ist absehbar, dass der Bedarf an mechanischen n zum Einsatz an Stahlentgasungssystemen deutlich steigen wird. Vorteile wie Energieersparnis und CO 2 - Reduktion werden sich gegenüber Dampfstahlsystemen mittelfristig durchsetzen. Dieser Markt wird von dem Unternehmen aufgrund seines Wachstumspotentials als klarer Fokusmarkt angesehen. Das beinhaltet auch die Verpflichtung, die für diesen Markt notwendigen Weiterentwicklungen in Angriff zu nehmen. Anwendungen reicht diese Konstruktion aus. Schwächen dieses Dichtungssystems lassen sich durch den Einsatz von Spaltrohrmotoren ausgleichen. Spaltrohrmotoren sind jedoch weniger energieeffizient als Standard- Flanschmotoren. Überlegen sind dagegen moderne Entwicklungen auf der Basis integrierter Motorkonstruktionen, welche die Robustheitsvorteile der Spaltrohrmotoren mit einem geringen Energieverbrauch und kleinerer Baugröße kombinieren. Die Pumpe enthält IE2-Motoren mit hohem Wirkungsgrad und verzichtet auf empfindliche Wellendichtungen, Motorlager oder Kupplungen. Bei typischen Ofenbetriebsdrücken unter 1 Millibar kann die Drehzahl der Wälzkolbenpumpe je nach Baugröße durch einen Frequenzwandler auf bis zu 120 Hz beschleunigt werden. Kleinere, günstigere Pumpen können so größere Pumpen ersetzen und die aufgenommene Motorleistung verringern. Abb. 4: Bildunterschrift: Die kompakteste und energiesparendste Wälzkolbenpumpenkonstruktion auf dem Markt Autor: Dipl.-Ing. Uwe Zöllig, Global Head of Market Segment Process Industry, Oerlikon Leybold Vacuum GmbH, Köln 52 Pumpen, Kompressoren und prozesstechnische Komponenten 2012

4 Interview Interview mit einem Kunden der Metallurgie Interviewpartner Herr Kimon Vamvakas, Betriebsleiter Schmelzbetrieb der BGH Edelstahl Siegen GmbH Kundenkurzprofil Bereits im Jahr 1467 wurde die Siegener Boschgotthardshütte (BGH) erwähnt. Das Siegerland verfügte damals über den Siderit ein Eisenerz, dessen natürlicher Mangangehalt dem daraus gewonnen Eisen eine gute Umformbarkeit verlieh. In den 1960er-Jahren wurde das Schmieden als Kernkompetenz der BGH durch eine eigene Rohstahlerzeugung ergänzt. Heute ist das Unternehmen auf hochlegierte Edelstähle und Edelbaustähle spezialisiert. Aus der Boschgotthardshütte ist die BGH Edelstahl Siegen GmbH hervorgegangen. Die Produktschwerpunkte des Unternehmens sind geschmiedeter Stabstahl und Freiformschmiedestücke mit Stückgewichten bis zu 32 Tonnen. Die Abnehmer kommen aus Branchen mit hohen Qualitäts-Anforderungen an den Stahl: Neben der Kraftwerksindustrie beliefert BGH den Maschinen- und Anlagenbau, die Antriebstechnik und den Pressenbau. Ähnlich anspruchsvolle Teile gehen in die Offshoreindustrie und die Windkrafttechnik. Bei diesem VD-Prozess ist es erforderlich, an der Schmelze möglichst kurzfristig einen Prozessdruck von unter einem Millibar anzulegen. Dies erfordert ein hohes installiertes Saugvermögen im vorliegenden Fall etwa m³/h bei 0,67 Millibar. Der Evakuierungsvorgang von Atmosphäre auf Prozessdruck ist hierbei eine zeitkritische Größe, da eine Abkühlung der Schmelze zwingend verhindert werden muss. Eine weitere Anforderung an das Pumpsystem stellt die prozessbedingte Staubbelastung dar. Wenngleich durch die Filtertechnik heute wesentliche Fortschritte erzielt wurden, ist die Staubresistenz des Pumpsystems von wesentlicher Bedeutung. In dieser Kategorie haben trockene Vakuumpumpen einen deutlichen Vorteil. Welchen Stellenwert besitzt bei Ihnen das Thema Energieeffizienz? Obgleich die Stahlschmelze an sich bereits einen energieintensiven Prozess darstellt, spielt auch die Energieeffizienz des Pumpsystems, neben den Anforderungen wie Zuverlässigkeit, geringer Wartungsbedarf und einfache Austauschbarkeit von Komponenten eine immer größere Rolle bei der Auswahl des geeigneten Pumpsystems. Das in Betrieb genommene Vakuumpumpsystem besteht aus Wälzkolben- und trockenen Schrauben-Vakuumpumpen und erfüllt sämtliche Anforderungen. Wozu benötigt BGH die Vakuumtechnik? Die BGH Edelstahl Siegen GmbH ist auf die Herstellung hochlegierter Edelstähle und Edelbaustähle spezialisiert. Unsere Industriekunden erwarten qualitativ hochwertige Edelstähle, die den Anforderungen an ihre Endprodukte gerecht werden. Um das zu erreichen, sind die in der Stahlschmelze gelösten Gase, wie etwa der Wasserstoff, zu entfernen. Dieser Schritt erfolgt durch eine Vakuumbehandlung der Schmelze, dem so genannten Vakuum-Entgasungs-Verfahren (VD). Abb. 5: Effiziente Standardpumpe für Standardanwendungen Welche Anforderungen stellen Sie an Vakuumpump-Systeme? Abb. 6: Pumpprinzip einer Diffusionspumpe Pumpen, Kompressoren und prozesstechnische Komponenten

5 Interview Abb. 7: Heizelemente innerhalb des Ölreservoirs einer Diffusionspumpe geringerer Stellfläche im Blick. Eine weitere wichtige Anforderung ist natürlich eine zunehmende Energieeffizienz der Systeme. Fazit Der Einsatz moderner trockenverdichtender Schraubenvakuumpumpen und Wälzkolbenpumpen kann dazu beitragen, negative Auswirkungen von Vakuumpumpen und Pumpsystemen auf die Umwelt zu verringern. Daneben kann selbst beim Einsatz klassischer Technologien, wie die der Diffusionspumpe, der CO 2 Ausstoß durch optimierten Betrieb weiter re duziert werden. Auch intelligente Steuerungen werden zukünftig immer wichtiger und helfen eindeutig beim Erreichen der Umweltziele. Veränderungen werden von den Entscheidungsträgern vorgenommen. Entsprechend sollten Anwender heutzutage alle Optionen bewerten, die sich aufgrund der modernen Technologien ergeben und sich nicht einfach mit den traditionellen Lösungen zufrieden geben. Moderne Pumpentechnologie ist robust, höchst zuverlässig und spart Energie sowie Betriebsmittel. Dies hilft nicht nur die Betriebskosten zu verringern, sondern auch die Umwelt zu schützen. Abb. 8: Öldiffusionspumpe, optimiert für hohen Durchsatz und niedrige Leistungsaufnahme Von Vorteil ist dabei, dass nur zwei standardisierte Pumpentypen zum Einsatz kommen: Zum einen eine hermetisch dichte Wälzkolbenpumpe sowie eine neue Schrauben- Vakuumpumpe. Für uns ist das ein wesentlicher Vorteil: Es reduziert die Notwendigkeit, eine Vielzahl an Ersatzpumptypen zu bevorraten. Ein Blick nach vorne: Wie sind die Pumpsysteme der Zukunft beschaffen? Die Systeme sollten in Zukunft wenig Platz beanspruchen: Aufgrund des begrenzten Raumes in bestehenden Stahlwerken haben wir Systeme mit Drehschieberpumpen Der Energieverbrauch moderner Drehschieberpumpen gilt als optimiert. Die rotierenden Massen und die internen Reibungsverluste sind minimiert. Aufgrund des Funktionsprinzips der Pumpen liegt die Leistungsaufnahme deutlich unter der Motorennennleistung. Ein Produkttyp ist mit einem 15 Kilowatt Flanschmotor ausgestattet; die effektive Leistungsaufnahme der Pumpe beläuft sich auf rund 7,4 Kilowatt bei einem typischen Ofenbetriebsdruck von unter 1 Millibar. Neu ausgelieferte Pumpen sind mit Motoren ausgerüstet, bei denen der Wirkungsgrad durch Minimierung der Eisen- und Kupferverluste sowie der magnetischen Verluste maximiert wurde. Eine zusätzliche Energieeinsparung kann durch eine prozessangepasste Saugvermögensreduzierung durch Drehzahlregelung mittels Frequenzwandler erreicht werden. Die Wandler sorgen zum Beispiel für eine Saugvermögensreduzierung während der Hauptphase eines Aufkohlungsprozesses, um den Kohlenwasserstoffgas- Verbrauch abzusenken. Diffusionspumpen Diffusionspumpen arbeiten im Hochvakuumbereich und verwenden daher ein vollständig anderes Pumpprinzip im Vergleich zu den bislang beschriebenen Verdrängerpumpen. In einer Diffusionspumpe wird Öl verdampft und durch eine Vielzahl von Düsenstufen geleitet, um einen Dampfschirm zu bilden, der die Gasmoleküle einfängt. In den meisten Hochvakuumöfen werden für Drücke unter 10-3 Millibar Öldiffusionspumpen eingesetzt. Die robusten Arbeitspferde verbrauchen jedoch viel Energie auch dann, wenn der Industrieofen im Leerlauf betrieben wird. Es gibt deutliche Unterschiede im tatsächlichen Leistungsbedarf bei den auf dem Markt angebotenen verschiedenen Produkttypen. Hier stellt das DIP-Portfolio aufgrund seiner Leichtbauweise und der direkten Heizung im Ölsumpf die optimalste auf dem Markt erhältliche Technik dar. Neues te Entwicklungen von intelligenten Diffusionspumpensteuerungen ermöglichen sogar deutlich darüber hinausgehende Energieeinsparungen. Je nach Betriebsmittel und Prozess sind durch eine intelligente Steuerung der Heizung Reduzierungen von bis zu 35 Prozent der Leistungsaufnahme realisierbar, ohne jegliche Saugleistungseinbuße. Dies setzt neue Maßstäbe bezüglich des Leistungsbedarfs von Diffusionspumpen. 54 Pumpen, Kompressoren und prozesstechnische Komponenten 2012