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Wie Arcelormittal mit Druckluft effizient wohldosierte Kälte erzeugt

Druckluft
Wie Arcelormittal Bremen mit Druckluft effizient wohldosierte Kälte erzeugt

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Mit zweistufig ölfreien Schraubenverdichtern von Aerzen kombiniert Arcelormittal Bremen seine Turbogebläse – und erzeugt so die Druckluft hocheffizient.

Thorsten Sienk,
freier Fachredakteur, Bodenwerder

Arcelormittal Bremen braucht Luft – viel Luft. Wohl dosierte Druckluft ist beispielsweise notwendig, um den flüssigen Stahl in der Stranggießanlage mit fein abgestimmten Temperaturprofilen herunter zu kühlen. Dafür gibt es bei den Stahlkochern an der Weser die Pressluftzentrale. Sie sorgt dafür, dass dem Werk nie die Puste ausgeht. Im Schnitt sind dafür zwei Turboverdichter in Betrieb und liefern Grundlastblöcke von jeweils 12.000 Nm³/h.

Im Zuge umfassender Investitionen verfolgt Arcelormittal Bremen das Ziel, die Produktivität und Qualität der Stranggießanlage zu verbessern. Dafür waren auch Investitionen in eine bessere Kühlung notwendig. Hierbei gilt: Je effektiver die Kühlung, desto schneller kann in der Stranggießanlage produziert werden. Den Anfang bildet der aus dem Stahlwerk flüssige Stahl. Das Material fließt in einen Verteiler und durch ein Gießrohr in die Kokille. Hierbei handelt es sich um eine formgebende Konstruktion aus Kupfer. Die Kupferwände der Kokille sind wassergekühlt und geben dem Stahl seine spätere rechteckige Form. In diesem Bereich ist die erstarrte Außenhaut aber noch empfindlich wie ein rohes Ei und muss vor dem Zerteilen des Endlosstranges zu so genannten Brammen weiter abgekühlt werden. Eine Strecke von 16 m steht dafür bei Arcelormittal Bremen zur Verfügung.

Für das Abkühlen kommt in Bremen mit Druckluft fein zerstäubter Wasserdampf zum Einsatz. Bevor die Düsen die vier Außenflächen des Stranggießens mit dem Wassernebel benetzen, wird das vorher in Filteranlagen gereinigte Wasser in einer Kammer mit der Druckluft verwirbelt – vergleichbar mit dem Vergaser eines Verbrennungsmotors. Das Resultat sind fein zerstäubte Tröpfchen, die eine hohe Wärmeaufnahme ermöglichen und den Stahl in kurzer Zeit von flüssigen 1 600 °C auf feste 800 °C bringen. „Das Wasser geht mit 12 bar in die Mischkammer und wird dort mit gut 5 bar Luft vermischt“, erklärt Bernd Grosse aus dem Engineering-Bereich des Stahlherstellers.

Die Herausforderungen beim Abkühlen des Stahls bestehen darin, die Temperatur des kontinuierlichen Stranggießens nach der Kokille zwar zu senken, dieses aber nur in einem Rahmen, dass es der Stahl durch eine Kehle von der Vertikalen in die Horizontale schafft. „Dabei müssen wir eine Schale erzeugen, die so weich ist, dass der Stahl durch die Kurve kommt, ohne dabei auszulaufen“, beschreibt Grosse das Verfahren. Würde hier mit purem Wasser gearbeitet, wäre das Regelspektrum sehr eng begrenzt – ein echter Nachteil auf der 16 m langen Kühlstrecke, da sich schlecht zu regelnde Kühlabläufe ungünstig auf den Erstarrungsprozess auswirken und das Risiko von Rissen sowie Lunkern erhöhen. Deshalb haben die Prozesstechniker ausgefeilte Kühlrezepturen für die jeweiligen Produkte entwickelt. Brammen aus Bremen sind in unterschiedlichen Stahlgüten zwischen 220 mm dick und messen in der Breite 950 bis 2 670 mm. Die Weiterverarbeitung erfolgt in Bremen im Warmwalzwerk.

Speziell abgestimmte Druckluftlösung für den Kunden

Der kurze Einblick in den Prozess zeigt die Bedeutung der Druckluft im Stranggießen. 20 km misst das Hüttennetz, das aus der Pressluftzentrale heraus mit etwa 5,5 bar(ü) Druck gespeist wird. Die frequenzgesteuerten Schraubenverdichter vom Aerzen Typ VMT4W liefern mit ihrer Motorleistung von 545 kW zweistufig in der Spitze einen Volumenstrom von 4 000 m³/h – also ein Drittel eines Turbos. Der Regelbereich im täglichen Betrieb liegt bei einem Maximaldruck von 8,5 bar (ü) zwischen 2 000 und 4 000 m³/h. Beide Anlagen hat Aerzen exakt an diese Anwendung angepasst.

Der zweistufige Aufbau mit zwei Schraubenverdichtern vom Typ Delta Screw erzeugt im ersten Schritt einen Druck von 4,5 bar (abs). Die Luft hat dann eine Temperatur von etwa 250 °C und muss vor Eintritt in die zweite Stufe weniger als 60 °C erreichen. Aerzen hat dafür einen überaus wirksamen Wasserkühler zwischen beide Stufen gesetzt, der ebenfalls mit Wasser aus der Weser versorgt wird. Je nach Witterung und Jahreszeit, bringt der Fluss die Luft auf etwa 25 bis 30 °C. Diese liegt damit nur noch rund 10 K über Flusstemperatur. Nach der zweiten Stufe erfolgt erneut das Herunterkühlen auf etwa 35 °C. Die Druckluft ist in diesem Stadium noch zu 100 % mit Wasser gesättigt. Die Feuchtigkeit muss aber raus, denn das Stahlwerk benötigt trockene Luft mit einem Drucktaupunkt von + 3 °C.

Da Aerzen den Auftrag für ein Komplettpaket erhielt, war die Entfeuchtung ebenso ein Teil der Entwicklungs- und Engineeringarbeit wie der sich daran anschließende Einbau und die Inbetriebnahme. Arcelormittal Bremen entschied sich bereits im frühen Planungsstadium der Modernisierungsarbeiten für die Schraubenverdichtertechnik von Aerzen. „Für uns ist es wichtig, dass die Anlagen laufen, weil davon direkt die Produktionssicherheit abhängt“, macht Techniker Sven Ress deutlich.

Turbos und Kompressoren werden schwingungsüberwacht

Vor diesem Hintergrund sind die Turbos sowie die zweistufigen Kompressoren in der Pressluftzentrale schwingungsüberwacht. Mit der Online-Analyse der auftretenden Frequenzen „können wir sich anbahnende Lagerschäden frühzeitig erkennen und Reparaturen entsprechend planen“, erläutert sein Kollege Volker Merrath die Hintergründe. Damit diese Arbeiten und auch die regelmäßigen Wartungen möglichst zeitsparend erledigt werden, hat Aerzen die Schraubenverdichter ohne Schallschutzhabe in die akustisch isolierte Pressluftzentrale eingebaut.

Durch das Einbinden der zweistufigen Schraubenverdichter vom Typ VMT4 W ist es im Stahlwerk von Arcelormittal Bremen gelungen, die Qualität der Prozessluftversorgung deutlich zu verbessern. Diese schlägt sich sowohl in den besseren Regelungseigenschaften nieder als auch in der Energieeffizienz. Aufgrund des hohen Stellbereichs der Schraubenverdichter stellen diese eine ideale Ergänzung zu den „Grundlast-Turbos“ dar. Welche Maschinen letztlich wann in welchem Betriebsbereich laufen oder vom Netz gehen, dass entscheidet der Verbund eigenständig über den Datenaustausch zwischen den Steuerungen der einzelnen Aggregate. „Die reden miteinander über das Netzwerk und wir haben noch eine übergeordnete SPS, die alle sechs Verdichter in der Hand hat und den Verbund energetisch optimal managed“, resümiert Grosse. „Wir wollen unsere Druckluft bedarfsgerecht und bestmöglich erzeugen.“



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