Stahlerzeugung

Effiziente Alternative zu Dampfstrahlpumpen

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Aerzen schätzt, dass weltweit rund 600 Stahlveredelungsanlagen im Betrieb sind, die im Rahmen von Retrofits auf mechanische Vakuumpumpen mit Rootsgebläsen und Schraubenvakuumpumpen umgestellt werden können, damit sie energieeffizienter arbeite Foto: Aerzen
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Damit Stahl die gewünschte Qualität erhält, muss er nach dem Hochofen für eine knappe halbe Stunde in Druckkammern verweilen, damit in der Schmelze gelöste Gase ausperlen können. Aus energetischen Gründen werden dabei Dampfstrahlpumpen zunehmend durch mechanische Vakuumpumpen mit Rootsgebläsen und Schraubenvakuumpumpen abgelöst.

Thorsten Sienk
Freier Fachjournalist

Allein zu wissen, wie Eisen zu kochen ist, macht noch lange keinen guten Stahl aus. Und in Zeiten, in denen die Branche von einer internationalen Stahlkrise spricht und Experten minimales Wachstum prognostizieren, da zählt es mehr denn je Qualität vor Quantität zu setzen. Die aktuelle Übersättigung des weltweiten Markts mit Stahl macht es notwendig, sich noch stärker auf dessen Veredelung zu konzentrieren. Angesichts dieser Entwicklung rücken Anlagen für das Konverter-Frischverfahren AOD oder das Pfannen-Entgasungsverfahren VOD immer mehr in den Mittelpunkt des technischen Interesses.

Weil beide Verfahren mit Vakuum arbeiten, sind moderne Lösungen gefragt, ein verlässliches Vakuum möglichst wirtschaftlich zu erzeugen. Hierbei lösen mechanische Vakuumpumpen mit Rootsgebläsen und Schraubenvakuumpumpen die althergebrachten Dampfstrahlpumpen ab. Der flüssige Stahl wird bei beiden Methoden in Tiegeln in druckdichte Kessel transportiert. Liegt das Vakuum nach dem Evakuieren der Kessel an, muss dieses eine definierte Zeit bis zu einer halben Stunde aufrechterhalten werden, um die Dekarbonisierung verlässlich und mit hoher Reproduzierbarkeit bei der Stahlqualität ablaufen zu lassen.

Die Abkehr vom Prozessdampf hin zu elektrisch angetriebenen trockenverdichtenden Pumpen steigert massiv die Energieeffizienz. Die Einsparungen sind so gravierend, dass sich aufgrund kurzer ROI-Zeiten auch Modernisierungen bestehender Anlagen im großen Stil lohnen.

Die Vorteile liegen auf der Hand: Kommt ein kaskadierter Verbund aus elektrisch angetriebenen Rootsgebläsen und Schraubenvakuumpumpen zum Einsatz, sind Dampfstrahlpumpen nicht mehr erforderlich. Die Substitution sorgt im Weiteren dafür, dass die aufwendige Rohrleitungsinfrastruktur zwischen zentralem Dampfkessel und den Pumpen entfallen kann. Gleiches gilt für nicht mehr erforderliche Boiler zur Dampferzeugung.

Ein weiterer Vorteil der Vakuumerzeugung mit elektromechanisch angetriebenen Pumpen: Die Einheiten verbrauchen nur dann elektrische Energie, wenn sie wirklich benötigt werden. Auf diese Weise entfällt der energetisch zweifelhafte und teure Standby-Betrieb, der erforderlich ist, um Dampfkessel immer unter Druck zu halten. Die intelligentere Erzeugung eines bedarfsgerechten Vakuums steigert damit im erheblichen Umfang die Energieeffizienz von VOD- und AOD- Prozessen – und dieses ohne Einbußen bei der Produktivität oder der Produktqualität. Wie gut dieser Weg funktioniert, zeigt eine neue VOD-Anlage in einer Gießerei in Linz, die mit dieser Technik der Aerzener Maschinenfabrik ausgerüstet ist. Realisiert wurde diese Aufgabe mit einem Verbund aus Drehkolbengebläsen und Schraubenvakuumpumpen.

In einem anderen Projekt, dass 2016 in einem Stahlwerk in China in Betrieb gegangen ist, liefert der vierstufige Aufbau eine Pumpleistung von 635 000 m3 in der Stunde bei einem Vakuum von 0,67 mbar absolut (0,5 Torr). Der Vorteil dieser Lösung liegt vor allem in der Größe der Drehkolbengebläse und Schraubenvakuumpumpen.

25 Aggregate für die Entgasung Reichen aus

Die Kombination aus Drehkolbengebläsen und Schraubenvakuumpumpen stellt deshalb eine ideale Kombination dar, weil für den überwiegenden Volumenstrom das Rootsprinzip genutzt wird und erst im niedrigen Druckbereich der Schraubenverdichter das Vakuum weiter absenkt. Dieser Aufbau arbeitet so effektiv, dass im genannten Stahlwerk in China 25 Aggregate für die Entgasung ausreichen. Weil die Gebläse und Verdichter in ihrer jeweiligen Stufe mit einem Querverbund kombiniert sind, erhöht sich die Betriebssicherheit. Sollte ein Aggregat ausfallen, ist der Verbund immer noch in der Lage, das Vakuum zu erzeugen.

„Wenn alle nachgeschalteten Pumpen das erforderliche Vakuum erreicht haben, halten sie dieses für gut 20 Minuten. Dann ist der Prozess beendet und wir erhöhen in umgekehrter Richtung den Druck wieder schrittweise“, erklärt Uwe Großkurth, Key Account Manager für Vakuumgebläse bei Aerzen, den Prozess. Das Ergebnis ist ein hochwertiger Chromstahl, für den die fein abgestimmten Abläufe exakt einzuhalten sind, um die gewünschte Qualität zu erhalten.

Dabei werden Schraubenvakuumpumpen und Gebläse so kombiniert und ausgelegt, dass kein Aggregat ständig an der Leistungsgrenze läuft oder etwa zu heiß wird, während andere ihren Teillastbereich nicht verlassen. „Unser Ziel ist es, dass solche Anlagen mit entsprechend regelmäßiger Wartung 30 bis 40 Jahre halten“, erklärt Großkurth. Wenige große Aggregate statt vieler kleine – Dies bringt laut Großkurth für Stahlwerke Vorteile. „Jede Maschine weniger spart aufwändige Verrohrung und wir haben ein geringeres Leckagerisiko. Jedes noch so kleine Leck verschlechtert den Wirkungsgrad.“ Zudem lässt sich der schlankere Maschinenpark einfacher in die Steuerungs- und Leitebene einbinden, weil auch die Anzahl der Frequenzumrichter zur Drehzahlsteuerung der Gebläsemotoren und Schraubenvakuumpumpen abnimmt.

Ein weiterer Pluspunkt ist die steigende Betriebssicherheit. Jedes Aggregat weniger senkt das Ausfallrisiko. Weil an dieser Stelle der Betrieb von Dampfstrahlpumpen zur Vakuumerzeugung im Vergleich zu trockenen Systemen einen deutlich höheren Wartungs- und Energieaufwand bedeuten, sind die Einsparpotenziale auch im Rahmen von Retrofits enorm. Die Investitionen rechnen sich in nur wenigen Jahren.



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