Radar-Füllstandmessung mit einer Endress+Hauser Lösung ermöglicht vorausschauende Wartung

Der für Betriebstemperaturen bis 450 °C geeignete und durch Heartbeat-Technology diagnosefähige Radarsensor FMR67B misst die Feuerfestschichtdicke aus rund zehn Metern Höhe. (Bild: x-technik/Michele Peloza)

Stahl zählt zu den bedeutendsten Werkstoffen für alle Branchen, vom Hoch- und Tiefbau über den Maschinen- und Werkzeugbau bis zur Feinwerktechnik. Weltweit werden jährlich rund 1,9 Milliarden Tonnen Stahl erzeugt, und das in mehr als 2.500 Sorten. Die voestalpine Stahl GmbH erzeugt in seinem Stahlwerk LD-3 in Linz Stahl. Dazu wird das im Hochofen erzeugte Roheisen mit dem LD-Verfahren zur Beseitigung unerwünschter Begleitelemente durch Sauerstoffzufuhr herausgefrischt.

Durch Messung der Schichtdicke mit einem 80 GHz-Hochtemperatur-Radarsensor Micropilot FMR67B von Endress+Hauser gelang die Umstellung von zyklischem auf bedarfsabhängiges Erneuern der Feuerfestauskleidung. (Bild: Endress+Hauser)

Vakuumbehandlung in der Sekundärmetallurgie

Damit ist der Herstellungsvorgang von Stahl noch nicht abgeschlossen. Nach dem Frischen erfolgen in der Sekundärmetallurgie Nachbehandlungen zur Steuerung der Werkstoffanalysen und Werkstoffeigenschaften vor dem anschließenden Stranggießen. Zu diesen gehört das Entgasen oder Entkohlen mit dem Ruhrstahl-Heraeus-Verfahren (RH-Verfahren). Dabei wird der flüssige Stahl homogenisiert und unter Vakuum werden ihm Wasserstoff, Stickstoff (Entgasen) und Kohlenstoff (Entkohlen) entzogen.

Die Behandlung erfolgt in einem rund zehn Meter hohen RH-Gefäß. Dieses verfügt über zwei sogenannte Rüssel (Tauchrohre) und wird in den ca. 1.600 °C heißen flüssigen Stahl getaucht, um diesen mit Vakuum anzusaugen. Im Umlaufverfahren werden rund 20- bis 25-mal Schmelzen behandelt. Zugleich erfolgt oft auch die Zugabe von Legierungsstoffen.

Norbert György
Produktmanager, Endress+Hauser Österreich

„Die frontbündige 80 mm-Antenne mit integrierter Spülung und der bis zu +450 °C reichende Prozesstemperaturbereich machen den Micropilot FMR67B zur richtigen Wahl für diese herausfordernde Umgebung.
Foto: Endress+Hauser“

Umstieg auf Predictive Maintenance

Die insgesamt vier RH-Anlagen der voestalpine Stahl in Linz sind vollständig mit Feuerfestmaterialien ausgekleidet. Diese Feuerfestauskleidung unterliegt einem Verschleiß. Speziell der Gefäßboden ist davon besonders betroffen. Diese Ausmauerung muss generell zyklisch nach einer bestimmten Anzahl von Schmelzen erneuert werden.

Der Verschleiß verläuft nicht gleichmäßig, er ist von der jeweiligen Stahlqualität abhängig. Dadurch kann einerseits der sehr aufwändige Vorgang unnötig häufig stattfinden, andererseits kann es durch zu hohen Verschleiß zu einem Durchbrechen und damit zu einem ungeplanten Anlagenstillstand kommen. Der Austausch eines Gefäßes führt zu einem 16-stündigen Anlagenstillstand und zu einer Produktionsminderung. Das ließ den Wunsch aufkommen, die Erneuerung der Feuerfestauskleidung von einem zyklischen auf ein bedarfsabhängiges Schema umzustellen.

Die infolge der Abnutzung erforderliche Erneuerung der Feuerfestschicht des RH-Untergefäßes erzwingt einen längeren Anlagenstillstand. (Bild: voestalpine)

Anwender: voestalpine Stahl GmbH TSM

Die voestalpine ist ein weltweit führender Stahl- und Technologiekonzern mit kombinierter Werkstoff- und Verarbeitungskompetenz. Sie zählt zu den führenden Partnern der Automobil- und Maschinenbauindustrie sowie der Luftfahrt- und Energieindustrie und ist darüber hinaus Weltmarktführer bei Bahninfrastruktursystemen und Spezialprofilen. Die global tätige Unternehmensgruppe verfügt über rund 500 Konzerngesellschaften und Standorte in mehr als 50 Ländern auf allen fünf Kontinenten. Im Geschäftsjahr 2024/25 erzielte der Konzern einen Umsatz von 15,7 Mrd. EUR und beschäftigte rund 49.700 Mitarbeiter.

voestalpine Stahl GmbH TSM
Voestalpine-Straße 3
A-4020 Linz
http://www.voestalpine.com/stahl

Messung in herausfordernder Umgebung

Die Mess- und Regelungstechniker der Sekundärmetallurgie bei voestalpine Stahl machten sich daher auf die Suche nach einem Füllstandmessgerät, das nicht nur die feindliche Umgebung übersteht, sondern trotz Störreflexionen durch das flüssige Metall, Staub und aufsteigender, leitfähiger Dämpfe zuverlässig exakte Werte liefert, und das möglichst ohne Wartungs- oder Reinigungsaufwand. Erste Versuche, die Schichtdicke der Feuerfestauskleidung am Gefäßboden mittels Radarmessung zu überwachen, scheiterten an der großen Entfernung vom Montagepunkt des Messgerätes. Dieser liegt am höchsten Punkt des Gefäßes in ca. 10 m Höhe.

Erste Versuche lieferten keine hinreichend zuverlässigen Messergebnisse. Das dabei verwendete Gerät von Endress+Hauser hatte einen Abstrahlwinkels von 7° und war nicht für die extrem hohen Betriebstemperaturen spezifiziert. Ein ebenfalls getesteter 80 GHz-Radarsensor eines anderen Herstellers lieferte zwar zunächst etwas bessere Messwerte, stellte aber bereits nach zwei Tagen den Betrieb ein. Als Ursache dafür ergab eine herstellerseitige Untersuchung einen nicht näher bezeichneten Defekt der Antenne. Diesen hatte auch nicht die integrierte und tatsächlich verwendete Spülung abwenden können.

Im Ruhrstahl-Heraeus-Verfahren taucht das Untergefäß mit seinen zwei Tauchrohren in die Gießpfanne und saugt unter Vakuum einen Teil der Schmelze an. (Bild: cc Borvan53)

Generationswechsel bringt Durchbruch

Den gewünschten Erfolg brachte der Micropilot FMR67B. Erstmals auf der SPS 2022 vorgestellt, weist dieses Gerät der zweiten Generation von 80 GHz Radarsensoren von Endress+Hauser einen Abstrahlwinkel von nur 3° auf. Dank 80 GHz Radarfrequenz werden die Störeinflüsse durch den Stahl und andere Störstoffe im Gefäß vermieden. Die Antenne mit integrierter Spülung und der bis zu +450 °C reichende Prozesstemperaturbereich machen das Gerät zur richtigen Wahl für diese herausfordernde Umgebung.

Das gilt auch für die Druckbelastung, die vom Vakuum bis 160 bar reicht. Einen wesentlichen Beitrag zur Betriebssicherheit leistet auch die über die gesamte Produktfamilie einheitliche Elektronik. Diese bietet nicht nur eine intelligente Vorverarbeitung der Messwerte. Durch die Diagnose- und Überwachungsfunktionen der Heartbeat-Technology sorgt sie auch für eine erhöhte betriebliche Zuverlässigkeit und Produktivität. Zudem lässt sich die Elektronik von jedem Elektriker ohne Spezialkenntnisse freizügig tauschen, da sie die „Persönlichkeitsdaten“ des jeweiligen Gerätes aus dem im Gehäuse integrierten, nichtflüchtigen Parameter-Speicher HistoROM bezieht.

Verlässlich und unkompliziert

Bei Inbetriebnahme und Bedienung der Micropilot-Familie werden Anwender von integrierten Assistenten (Wizards) durch den Prozess geführt. Dies vermeidet Fehler und ermöglicht eine Bedienung ohne großen Trainingsaufwand. Dank einer Bluetooth-Schnittstelle lassen sich die Geräte über die SmartBlue-App von Endress+Hauser bequem von außerhalb des abgesperrten Bereiches bedienen.

Verfahrenstechnische Weltpremiere

Den Mess- und Regelungstechnikern der Sekundärmetallurgie bei voestalpine Stahl ermöglichte der 80 GHz Radarsensor Micropilot FMR67B von Endress+Hauser eine in der Branche viel beachtete Weltpremiere. Erstmals in der Geschichte des seit 1958 angewendeten RH-Verfahrens gelang es ihnen, den kritischen Wartungsschritt der Erneuerung der Feuerfest-Ausmauerung von zyklisch auf datenbasiert umzustellen. Diese Predictive Maintenance im großtechnischen Format eliminiert ungeplante Stillstände. Zusätzlich verbessert dies durch erhebliche Einsparungen für die Wartung die Wettbewerbsfähigkeit des österreichischen Stahlerzeugers.