Sächsische und Europäische Mittel für Verbesserungen in Stranggießprozessen

Die Neuentwicklung “wtl series for continuous slab casting” ermöglicht es erstmals, geometrische Informationen aus dem Brammenstrangguss von direkt unterhalb des Kokillenausgangs zu erhalten.

Während bestehende Systeme die Maßhaltigkeit des gegossenen Stranges erst am Ende der Richtzone überprüfen, gelingt es mecorad, die Breite des gegossenen Stranges in einem Abstand von nur etwa vier Metern unterhalb des Kokillenniveaus zu messen, während die Oberfläche des rotglühenden Stranges gerade erstarrt.  Die Genauigkeit der gemessenen Breite liegt dabei unter einem Millimeter. 

Darüber hinaus werden die ermittelten Daten in Echtzeit von der intelligenten Softwareanwendung von mecorad verarbeitet und können so über Schnittstellen in die Anwendungen der Kunden eingebunden werden.
Durch diese direkte Echtzeit-Rückmeldung kann der Gießprozess wesentlich besser auf die einzuhaltenden Toleranzen abgestimmt werden. Zeitaufwändige Nacharbeit sowie material- und damit kostenintensives Übergießen werden deutlich reduziert. Mit den gewonnenen Messwerten lassen sich zudem Gießmodelle weiter verbessern und werksübergreifend vergleichen.

Die Neuentwicklung wurde erstmals gemeinsam mit Aperam Châtelet Belgium auf den European Steel Technology and Application Days 2021 in Stockholm vorgestellt.

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Messlösungen im Vergleich

Wir von mecorad haben uns mit der spezifischen Situation unserer Kunden in der vor- und nachgelagerten Verarbeitung von Roheisen und Metall beschäftigt, die – wie Sie sich vorstellen können – äußerst anspruchsvoll ist. Folgende Überlegungen können Ihnen bei Ihrer Entscheidung helfen:  

  • Welcher Genauigkeitsgrad muss erreicht werden?
  • Welche Umgebungsbedingungen herrschen vor? Gibt es Staub, Dampf, Hitze? Ein Vakuum? 
  • Verfügt das Objektmaterial über besondere Eigenschaften? 

Um diese Fragen zu beantworten, muss man zumindest einen kurzen Blick auf die Vor- und Nachteile der verschiedenen Messprinzipien werfen. 

In diesem Artikel beschränken wir uns auf den Vergleich der berührungslosen Methoden Laser, Ultraschall und Radar. Diese drei werden häufig gewählt und sind anders als Isotopenlösungen wie Röntgen frei von radioaktiven Belastungen für Arbeitnehmer und Arbeitsplatz.  


Ultraschall

Ultraschallsensoren messen Entfernungen nach dem Prinzip der Lichtlaufzeit. Ultraschallwellen sind Schallimpulse mit einer Frequenz zwischen 20 kHz und 1 GHz, die höher ist, als der Mensch hören kann. Diese Wellen werden in einem definierten Intervall von einem Sensor ausgesendet und bewegen sich in der Luft mit Schallgeschwindigkeit. Wenn sie auf ein – in unserem Fall metallisches – Objekt treffen, werden sie von der Oberfläche des Objekts reflektiert. Diese reflektierten Echos kehren zum Sensor zurück. Durch Messung der Zeitverschiebung des reflektierten Schalls wird die zurückgelegte Strecke ermittelt und dem Benutzer angezeigt.

Ultraschall eignet sich sehr gut für komplexe Objekte, sogar für transparente oder stark glänzende Objekte in homogenem Material, bei denen nur eine geringe Schallabsorption vorliegt.  Deshalb wird er häufig zur Qualitätskontrolle eingesetzt, um fehlerhafte Materialstrukturen, Einschlüsse oder Verunreinigungen in einem bestimmten Material zu markieren.

In einer heterogenen Umgebung kann die Geschwindigkeit der Wellen jedoch durch verschiedene Bedingungen wie instabile Temperaturen oder eine Änderung der Luftzusammensetzung in der Umgebung des Objekts beeinträchtigt werden. 

Die Metallverarbeitung ist in der Regel kein Reinraum. Denken Sie nur an staubige Arbeitsbereiche, oder Kühlwasserdampf. Die Ultraschallwellen werden an den Mikrowassertropfen in der Luft abgelenkt, was zu einer Unterbrechung der Übertragung und Reflexion des Signals führt. Die Messergebnisse sind nicht mehr präzise. Heiße Objekte, wie glühende Stahlbrammen, verursachen auch von sich aus Wärmekonvektion in der Umgebungsluft. Diese Konvektionen unterbrechen wiederum das Ultraschallsignal. 

Laser

Das Wort Laser ist die Abkürzung für Lichtverstärkung durch stimulierte Emission von Strahlung. Laserstrahlen bestehen aus elektromagnetischen Wellen, die sich mit Lichtgeschwindigkeit (ca. 300000 km/s) bewegen.

Heute gibt es eine Reihe von Laseranwendungen mit einer Vielzahl von Messaufgaben. Laser können zur Erkennung oder Zählung von Objekten usw. eingesetzt werden. Ein bekanntes Beispiel für die elektro-optische Messung von Entfernungen und die daraus abgeleitete Berechnung von Geschwindigkeiten wird etwa von der Polizei zur Geschwindigkeitskontrolle eingesetzt. 

In unserem industriellen Kontext beruhen die Messungen auf einem der folgenden Prinzipien: Triangulation, Phasenverschiebung oder Laufzeitmessung, letztere wie bereits erläutert. Lasersensoren sind unter bestimmten Bedingungen hochpräzise und werden daher häufig für Messaufgaben in industriellen Umgebungen eingesetzt. Sie sind jedoch unzureichend, wenn Staub oder Ablagerungen die Sicht versperren, so dass der Strahl nicht richtig ausgesendet werden kann. Nötig wäre daher eine fortlaufende Prüfung und Reinigung des Lasersensors, die jedoch gerade in einem Stahlwerk wenig effizient erscheint.   

Auch bei offenen Flammen oder glühenden Objekten liefert die Messung mit Standard-Rotlicht-Lasern falsche Signale. Der Grund dafür ist die ähnliche Frequenz der Infrarotstrahlung des Lasers und das Farbspektrum der glühenden Oberfläche. Die Abmessungen des Objekts werden nicht richtig erkannt, der Laser misst möglicherweise in die Oberfläche hinein. In diesen Fällen können Blaulichtlaser mit einem großen Spektralabstand eine Lösung sein, aber sie sind recht teuer und nicht die erste Wahl für andere Messaufgaben. 

Nasse, staubige oder verschmierte Oberflächen haben stark wechselnde Reflexionseigenschaften, die die Messgenauigkeit ebenfalls beeinträchtigen. Der Abstand zwischen einem Lasersensor und dem Messobjekt darf nur sehr wenig variieren, um robuste Signale zu liefern.  Und große Wassertropfen, wie man sie in der Schlackewäsche der Stahlindustrie findet, brechen das Lasersignal. 

Radar

Die Radarmessung basiert auf elektromagnetischen Wellen. Der Sensor sendet das Hochfrequenzsignal aus, das sich ebenfalls mit Lichtgeschwindigkeit ausbreitet, und berechnet die Entfernung zu einem Objekt, indem er die Reflexion des Signals von diesem Objekt misst.  

Bei der Radarmessung wird ein Punkt erfasst, der durch Linsen oder Antennen fokussiert werden kann. Vergleichbar mit der Fokussierung einer Taschenlampe auf eine Wand, kann dieser Punkt mehr oder weniger scharf eingestellt werden. Daher erfasst der Sensor das rollende Material auch dann, wenn Hindernisse in der direkten Sichtlinie auftreten.

Radarwellen sind unempfindlich gegenüber widrigen Umweltbedingungen wie hohen Temperaturen oder verschmutzter Luft.  Nebel zum Beispiel ist für Radarstrahlung viel durchlässiger als für sichtbares Laserlicht. Selbst unter Null-Sicht-Bedingungen oder bei Messungen durch Dampf, Wassertropfen, Staub, Schlacke und offene Flammen sind die Strahlen noch mit hoher Genauigkeit kontrollierbar. 

Auch wenn Radar – verglichen unter Laborbedingungen – nicht so präzise ist wie Laser, ist es aus unserer Sicht die beste Lösung für die Messung von Breite, Dicke und Länge von Roheisen. 

Deshalb setzen wir es in unseren innovativen IIoT-Messlösungen ein.

Als Startup erfolgreich in der Produktentwicklung für die Stahlindustrie

Die Ausgründung aus der TU Chemnitz erhielt durch das TUClab sowie durch SAXEED neben einer Beteiligungsfinanzierung auch eine Gründungsförderung sowie eine Gründungsbetreuung.

Zwei Jahre später traf mecorad-Gründer und Geschäftsführer Dr. Marc Banaszak Dr. Joseph Heß, Projektleiter des TUClab, und Dr. Susanne Schübel, Geschäftsführerin des Gründernetzwerks SAXEED, im Technologie Centrum Chemnitz (TCC), um über aktuelle Projekte und die Entwicklung des Unternehmens zu informieren. Dabei ging es heiß her – denn das Team um Marc Banaszak präsentierte anhand des neuen Demonstrators, dass die Sensoren auch unter extremer Hitze präzise messen und somit bei der Stahlproduktion zum Einsatz kommen können.

„Mitte 2020 haben wir uns inmitten der Corona-Pandemie befunden und entsprechend war es für die meisten jungen Unternehmen und Start-ups, mit denen wir im Rahmen des TUClabs arbeiten, herausfordernd, am Markt zu bestehen. Umso schöner ist es zu sehen, wie sich das Unternehmen mecorad, das wir gefördert und unterstützt haben, trotz dieser schwierigen Zeit und auch nach der Betreuung durch uns und das Gründernetzwerk SAXEED weiterentwickelt hat“, sagt Heß. So füllen sich inzwischen die Auftragsbücher wieder und der vorgestellte Demonstrator zeige, dass mecorad bereit sei, einen wichtigen Beitrag zur Digitalisierung der Stahlindustrie zu leisten. „Ich bin nach dem Besuch sehr überzeugt, dass das Unternehmen alles mitbringt, was dafür nötig ist“, ergänzt Heß.

2018 war mecorad mit der Idee angetreten, den Betreiberinnen und Betreibern von Stahl- und Warmwalzwerken mit hochpräzisen Messlösungen und darauf aufbauenden Applikationen bei der Verbesserung ihrer Prozesse zu helfen. Darüber hinaus wollten sie die Unternehmen dabei unterstützen, ihre Produktion bis zum Endkunden zu vernetzen. Der Bedarf war und ist da, denn sowohl die Reduzierung der CO2-Emission dieser energieintensiven Branchen als auch die Digitalisierung gehören aktuell zu den größten Herausforderungen für die Stahl- und Metallindustrie.

Heute – drei Jahre später – kann mecorad hochpräzise Messlösungen vorweisen, die zu einer höheren Produktqualität führen und Produktionswertverluste reduzieren. Die Förderung im Rahmen des TUClabs der TU Chemnitz bereitete für diesen Erfolg den Boden. „Bisher wurde der gewalzte Stahl nicht an den Prozess-Stellen, sondern nach dem Abkühlen und zum Teil noch von Hand vermessen. Unsere eigenentwickelten Radarsensoren können die noch heißen Umformgüter in Echtzeit vermessen und mittels Berechnungsalgorithmen die nach dem Abkühlen zu erwartenden Werte ausgeben“, sagt Banaszak. Sollten die so generierten Daten zu stark vom Produktionsplan abweichen, könne die Anlagenfahrerin oder der Anlagenfahrer im Walzwerk direkt und präzise gegensteuern und so Ausschuss, Mehrarbeit und damit auch den CO2-Ausstoß reduzieren. Um die gewonnenen Daten in Echtzeit in die von den Kundinnen und Kunden gewünschten IT-Systeme einzubinden, bietet mecorad darüber hinaus passgenaue Lösungen an. So hilft das Unternehmen, die Stahl-Produktion entlang der Wertschöpfungskette zu digitalisieren.

Die Zuverlässigkeit der von mecorad entwickelten Sensoren verdeutlichte Banaszak beim Treffen im TCC anhand eines Brenners und einem neuen Demonstrator. Die Errichtung des Demonstrators war Bestandteil eines MEP-Zuschusses, mit dem die Europäische Union und der Freistaat Sachsen die Markteinführung ihrer Produktlinie „wtl series für Walzlinien“ gefördert haben. Die Mittel stammen aus dem Europäischen Fonds für Regionale Entwicklung (EFRE) und dem durch den Sächsischen Landtag beschlossenen Haushalt des Freistaates Sachsen.

Demonstrator in Chemnitz in Betrieb genommen

Die Anordnung im Demonstrator ist der kleinstmögliche Aufbau zur Messung der Geometriedaten von Warmumformgütern. Die Ergebnisse können in Echtzeit direkt an ein Display oder in die SPS geliefert werden. Auch die Übertragung in die IT-Sphäre des Kunden ist möglich. Mit unseren IIoT-Anwendungen lassen sich Informationen in jedes kundenseitig gewünschte System integrieren.


Die Errichtung des Demonstrators in unserem Büro in Chemnitz ist Bestandteil unseres MEP-Zuschusses, mit dem die Europäische Union und der Freistaat Sachsen den Start von wtl series für Walzlinien fördert. Die Mittel stammen aus dem Europäischen Fonds für Regionale Entwicklung (EFRE) und dem durch den Sächsischen Landtag beschlossenen Haushalt des Freistaates Sachsen.

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Grüner Stahl nimmt weiter Fahrt auf

So verkündete Mercedes Benz in diesem Jahr Pläne, in Kooperation mit einem Startup bereits ab 2025 grünen Stahl in verschiedenen Fahrzeugmodellen auf den Markt zu bringen1. Ziel ist es, bereits während der Produktion der PKW und ihrer einzelnen Komponenten möglichst viel CO2 Emissionen einzusparen, statt diese später zu kompensieren.
Auch Volvo Cars kündigte seine Kollaboration mit einem schwedischen Stahlhersteller zur Erforschung der gemeinsamen Entwicklung eines hochwertigen, fossilfreien Stahl für den Einsatz in der Automobilindustrie2 an.  


2020 wurden 78 Mio. Fahrzeuge weltweit produziert

Angesichts der enormen Menge an Stahl, die allein für die Autoproduktion gebraucht wird, könnte dies einen großen Einfluss auf den Fortschritt der Entwicklung von grünem Stahl haben:

2020 stellt ein Krisenjahr im Fahrzeugbau dar. Pandemiebedingt wurden „nur“ 78 Millionen3 Fahrzeuge hergestellt, ein Produktionsrückgang von 16 % im Vergleich zum Vorjahr. Pro Fahrzeug werden durchschnittlich 900 kg Stahl4 verbraucht, was sich allein für das Jahr 2020 auf mehr als 70 Millionen Tonnen Stahl für die Automobilindustrie summiert.  Geht man von rund 1,75 t CO2 Emission pro erzeugter Tonne Stahl aus, verursacht allein die Produktion des Stahls für den Fahrzeugbau 128,46 Mio. t CO2, Montage und Logistikwege noch nicht mit eingerechnet.  

Daher scheint die Bestrebung hin zu grünem – oder zumindest „grünerem“ – Stahl ein wohlüberlegter und notwendiger Schritt zu sein, der früher oder später Nachahmer finden wird.
Stahlhersteller, die für die Lieferketten der Automobilindustrie produzieren, tun gut daran, dies bei der Ausrichtung ihrer Prozesse und ihres Berichtswesen zu berücksichtigen.

Es gibt schon heute intelligente Lösungen, die eine reibungslosere und effizientere Produktion mit verringerten Produktionsverlusten, z. B. beim Gießen und Warmwalzen, unterstützen und so zu einer besseren Leistung führen. Durch Einbindung entsprechender IIoT-Applikationen kann zudem das Produktionsreporting unterstützt werden. 

Geometriedatenerfassung von heißem Walzgut

Verwenden Sie noch einen Messschieber, um das Ergebnis Ihres Warmwalzprozesses zu vermessen? Und müssen Sie stundenlang auf die Abkühlung des Werkstücks warten, bis Sie Messergebnisse erhalten können?

Stellen Sie sich vor, Sie kennen die genauen Daten, wenn das Warmband noch heiß sind.

Oder Sie könnten präzise sagen, ob die Walzenausrichtung noch etwas angepasst werden muss, um bessere Ergebnisse zu erzielen – während der Prozess läuft.

Wie wäre es, wenn alle notwendigen Daten automatisch in Echtzeit an die beteiligten Personen geliefert werden würden?
Das kann nicht funktionieren? Doch, mittels einer intelligenten und zuverlässigen Kombination aus Radar- und IIoT-Technologie. Kombiniert in wtl series von mecorad. Die IIoT-Lösung misst nicht nur Geometrien von Warmumformgütern in Echtzeit über Radarsensoren. Sie liefert auch die erforderlichen Informationen, genau wann und wo Sie diese benötigen. Über Schnittstellen können die Daten den verschiedenen Abteilungen wie Lager, Qualitätskontrolle oder Vertrieb bereitgestellt und weiterverarbeitet werden.

Grüner Stahl und mehr

Allein die deutsche Stahlindustrie stößt pro Jahr mehr als 60 Millionen Tonnen CO2-Äquivalente aus. Welche Möglichkeiten gibt es, um Prozesse wesentlich ressourceneffizienter zu gestalten?

Der ökologische Fußabdruck

Wussten Sie, dass der 5. Mai in diesem Jahr Deutschlands „Overshoot-Day“ ist?
Das heißt, dass rechnerisch jeder Einwohner Deutschland zwischen dem 1. Januar und dem 5. Mai so viel aus der Natur verbraucht haben, wie unser Planet durchschnittlich im gesamten Jahr erneuern kann.
Das Datumwurde von der Footprint Data Foundation, der York University und dem Global Footprint Network berechnet.

Eine Verschiebung des Datums des Overshoot Day nach hinten ist möglich:
Wenn wir unsere Infrastruktur neu aufstellen, Prozesse wesentlich ressourcenschonender gestalten, Energiesysteme entkarbonisieren und CO2 binden.

Die Dekarbonisierung der Wirtschaft

Der beste Weg zur Bekämpfung des Klimawandels besteht in der Kohlendioxidreduzierung der Wirtschaft. Dies würde auch das Gleichgewicht zwischen unserem ökologischen Fußabdruck und den erneuerbaren Ressourcen des Planeten erheblich verbessern.

Allein die deutsche Stahlindustrie stößt jedes Jahr mehr als 60 Millionen Tonnen CO2-Äquivalente aus. Die Großteil davon resultiert aus der Produktion von Koks sowie der Produktion heißer Metalle im Hochofen.

Um die Treibhausgasemissionen bei der Stahlproduktion zu reduzieren, entstanden und entstehen europaweit verschiedene große Dekarbonisierungsprojekte. „Green Steel“ ist das aktuelle Trendthema.

Bedingt durch unterschiedliche Produktionsvorgänge und -systeme lässt sich der Emissionsanteil von nachgelagerten Prozessen in der Stahlumformung nur schwer korrekt beziffern. Unbestreitbar ist jedoch, dass auch diese Verfahren mit erheblicher CO2 Produktion einhergehen.

Hier setzen unsere Lösungen an, um einen reibungsloseren Betrieb und eine effizientere Produktion zu unterstützen und Ertragsverluste beim Schmelzen, Gießen und Warmwalzen zu realisieren.

Das ist mecorads Beitrag zu einer saubereren Zukunft.