Exkurs

Was ist eine Sekundärmetallurgie?

Die Sekundärmetallurgie ist ein Kernbereich bei der Edelstahlerzeugung, denn hier erhält der im Elektrolichtbogenofen erschmolzene Rohstahl mithilfe zugeführter Legierungselemente und mit diversen qualitätssteigernden Nachbehandlungen die gewünschten Eigenschaften.

Zu den Aufgaben der Sekundärmetallurgie gehören u.a.:

  • Legierungseinstellung (= Einstellen der chemischen Analyse des Werkstoffs)
  • Homogenisierung von Temperatur und Zusammensetzung
  • Entgasung
  • Desoxidation und Verbesserung des Reinheitsgrades
  • Entkohlung, Entschwefelung
  • Spülgasbehandlung

Die Verfahren der Sekundärmetallurgie werden bevorzugt in der Stahlpfanne, im Pfannenofen, in der Vakuumanlage, und in Einzelfällen auch im Konverter durchgeführt. Verfahren, Aggregate und Prozessabläufe variieren je nach Betrieb und Produktportfolio.

Die Sekundärmetallurgie am Standort Witten der Deutschen Edelstahlwerke

Im Wittener Stahlwerk bilden ein Abschlackstand, zwei Pfannenöfen, drei Legierungsanlagen, zwei Vakuumbehandlungsanlagen (VD / VOD-Anlage) und ein Spülstand die Sekundärmetallurgie.

Anmerkung

VD = Vakuumentgasung (Vacuum Degassing)

VOD = Vakuumfrischverfahren (Vacuum Oxygen Decarburisation)

Ablauf

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Station 1: Probe für das Chemielabor

Nach dem Abstich der Stahlschmelze aus dem 130-Tonnen-Elektrolichtbogenofen erhält das Chemielabor eine Probe der gerade erzeugten Schmelze. Im Labor wird die chemische Zusammensetzung des Stahls bestimmt und mit der gewünschten Zielanalyse verglichen.

Die dabei ermittelten Werte werden direkt an das Sekundärmetallurgische Zentrum weitergegeben, in dem entsprechend die nachfolgenden Behandlungen anpasst werden.

Station 2: Pfannenofen

Vom Elektrolichtbogenofen aus wird die Pfanne mit einem Kran in die Sekundärmetallurgie transportiert und in den Vakuumbehälter eingelassen. Von dort erfolgt in der neuen Linie des Sekundärmetallurgischen Zentrums der Transport der Pfanne zum Pfannenofen mithilfe eines fahrbaren Kesselwagens in einem Fahrgraben. Im Pfannenofen wird die Schmelze abhängig vom Werkstoff auf bis zu 1680 Grad Celsius erhitzt. Die Transformatorleistung ist so dimensioniert, dass beim Aufheizen der 130-Tonnen-Schmelze eine Temperatursteigerung von bis zu 4,5 Grad Celsius pro Minute sichergestellt ist. Je nach Analyse werden dem Stahl über spezielle Einblasvorrichtungen und über eine 6-Spur-Draht-Injektionsanlage weitere Gase und Feststoffe hinzugefügt. Anschließend wird der Schmelze vollautomatisch eine Probe entnommen. Ein Mitarbeiter sendet diese erneut an das Chemielabor zur Untersuchung und Qualitätsprüfung.

Station 3: Vakuumanlage (VD / VOD-Anlage)

Durch ein kurzes Verfahren des Kesselwagens im Fahrgraben gelangt die Pfanne zur Vakuumanlage.

Unter Vakuum werden der Schmelze hier weitere Legierungselemente hinzugegeben.

Darüber hinaus entweichen bei der Vakuumbehandlung unter verminderten Druck die im Metall gelösten Gase. Der moderne, hochleistungsfähige Pumpenstand der neuen VD / VOD-Anlage ermöglicht eine Unterdruckbehandlung bei unter einem Millibar in der neuen Vakuumanlage. Zum Vergleich: in Normalatmosphäre herrscht ein Druck von rund 1.000 Millibar. Die vakuumbehandelten Stahlsorten weisen u.a. einen hohen Reinheitsgrad, niedrige Gasgehalte und enge Legierungstoleranzen auf. Die Deutschen Edelstahlwerke wenden bei der Vakuumbehandlung zwei Verfahren an.

Bei der Vakuumentgasung (VD) werden wie oben erläutert unter Vakuum die unerwünschten, gelösten Gase aus dem flüssigen Stahl entfernt. Der Pfanneninhalt wird zusätzlich mit dem Edelgas Argon gespült. Diese Bewegung führt zu einer schnellen und homogenen Durchmischung der Stahllegierung. Dabei werden im Spülfleck der unerwünschte Wasserstoff und auch Stickstoff entfernt, indem die Reaktionsgase abgepumpt werden.

Das Vakuumfrischverfahren (VOD) eignet sich besonders für hoch chromhaltigen rost-, säure- und hitzebeständigen (RSH-) Stahl, da sich damit Kohlenstoff bei hoch-chromhaltigen Qualitäten nahezu vollständig aus der Schmelze entfernen lassen. Möglich wird das durch das Einblasen von zusätzlichem Sauerstoff in die Schmelze bei vermindertem Umgebungsdruck. Diese Behandlung verhindert dabei den unerwünschten Übergang der teuren Legierungselemente in die Schlacke. Das Vakuumfrischverfahren wurde in den 60er Jahren am Standort Witten erfunden und ist damit eine Spezialität des Stahlwerks Witten.

Station 4: Spülstand

Besonders für bestimmte RSH-Güten sind Spülgasbehandlungen mit großen Gasmengen notwendig. Dieses erfolgt in einem dafür speziell ausgelegten Spülstand. Eine feuerfeste Blaslanze taucht tief in die Schmelze ein, so dass Blasraten von bis zu 500 m3/h für Argon oder auch Stickstoff möglich sind. Die dabei entstehenden Rauchgase werden über eine Abgashaube der Entstaubungsanlage zugeführt und gefiltert. Durch eine Anbindung an die neue Legierungsanlage kann die gesamte Palette der zur Verfügung stehenden Legierungsträger der Schmelze zugesetzt werden.

Kleinere Spülgasmengen werden über einen im Pfannenboden installiertem Spülstein der Schmelze zu gesetzt. Um eventuelle Verunreinigungen aufsteigen zu lassen, verfügt die Gasstation über einen großen Regelbereich und ermöglicht damit sogar ein Feinspülen von nur wenigen Litern je Minute.

Danach wird die Pfanne mit dem fertig behandelten Stahl einem der beiden Gießbetriebe übergeben, um Blöcke oder Stranggussriegel zu erzeugen.

Nebenschauplatz Legierungsanlage

Neben den bisherigen, kleinen Legierungsanlagen betreiben die Deutschen Edelstahlwerke seit Inbetriebnahme des neuen Sekundärmetallurgischen Zentrums auch eine neue , zentrale Legierungsanlage. Diese besitzt im Vergleich zur alten Anlage erweiterte und vollautomatisierte Funktionen. Mit 28 Tagesbunkern lassen sich wesentlich mehr Legierungsträger in einer Anlage lagern (alte Anlage: 12 Bunker) und auch das Speichervolumen ist mit mehreren hundert Tonnen wesentlich höher dimensioniert und dem steigendem Bedarf angepasst. Die Bunker werden vollautomatisch befüllt, ein aufwendiges Umsetzten von Kübeln per Gabelstapler entfällt. Die Legierungsanlage versorgt Pfannenofen, zwei Vakuumanlagen und den Spülstand mit den chemischen Elementen, die der Stahlschmelze noch zugefügt werden müssen, um die gewünschte Analyse zu erhalten. Die Wiegegenauigkeit ist bei den Legierungsvorgängen noch höher als bei der bisherigen Anlage, um absolut enge, technisch reproduzierbare Legierungstoleranzen zu ermöglichen. Die bei dem Materialumschlag entstehenden Stäube werden erfasst und der Entstaubungsanlage zugeführt.

Nebenschauplatz Chemielabor

Im Zuge der Modernisierung der Sekundärmetallurgie wurde auch das Chemielabor technisch auf den neusten Stand gebracht. Für eine noch genauere Prozessanalytik begannen die Deutschen Edelstahlwerke daher im Jahr 2012 mit dem Bau einer neuen Rohrpostanlage und der Einrichtung der Laborstationen.

Von acht Stationen im Stahlwerk aus werden über die Rohrpostanlage Stahl- und Schlackeproben zu den Laborstationen transportiert. Mit einer Geschwindigkeit von zehn bis 15 Metern pro Sekunde fahren die Transporthülsen mit den Proben durch das über zwei Kilometer lange Rohr. An den Laborstationen werden die Proben automatisch den Hülsen entnommen. Zwei Roboter transportieren die Proben zu den Geräten. Das Labor umfasst:

  • Kühlstation
  • Waage
  • Fräse zur Vorbereitung der Oberfläche für die folgende Analyse
  • Kamera zum Abfotografieren der Oberfläche
  • Zwei Funken-Emissionspektrometer für die Analyse
  • Röntgenfluoreszenzspektrometer für die Analyse
  • Gamma-Spektrometer zur Radioaktivitätsmessung
  • Wachsdrucker zur abschließenden Beschriftung der Proben

Für die Modernisierung des Chemielabors investierten die Deutschen Edelstahlwerke zusätzlich zwei Millionen Euro.

Nebenschauplatz Rechnerunterstützung

Im Zuge der Modernisierung wurde sowohl für die Sekundärmetallurgie als auch für alle anderen Anlagen des Stahlwerks ein neues, leistungsfähiges Betriebsrechnersystem installiert, in dem die verschiedenen Steuerungsebenen miteinander verknüpft sind. Alle wichtigen Vorgaben zur Prozesssteuerung werden auftragsbezogen umgesetzt, kontinuierlich mit Sollvorgaben verglichen und bei Bedarf online angepasst. Die ganzheitliche Einbindung ¿ von der Schrotteinsatzrechnung bis zur Prozessdatenrückmeldung bei der Schmelzenabrechnung ¿ stellt eine in engen Grenzen reproduzierbare Erzeugung der verschiedensten Qualitäten sicher. kf

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