Projekt 21182/01

Entwicklung eines umweltschonenden Verfahrens zum Entzundern von Metalloberflächen für industrielle Anwendungen

Projektträger

C. Hilzinger-Thum Schleif- u. Poliermittelwerk GmbH & Co. KG
Siemensstr. 2
78532 Tuttlingen
Telefon: 07461/187-190

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Deutschlandweit werden jährlich ca. 500.000 Tonnen Buntmetall-Bleche und -Bänder produziert. Weiter werden ca. 24,5 Mio. Tonnen Bänder und Bleche aus Stahl hergestellt. Sowohl die Buntmetall- wie auch Stahlbrammen werden dabei in einem mehrstufigen Walzprozess zu Bändern und im Anschluss zu Blechen verarbeitet. Nach jedem Walzvorgang ist zur Vorbereitung des nächsten Bearbeitungsschrittes eine Entzunderung der Oberfläche notwendig. Aktuell erfolgt die Entzunderung von Buntmetall- und Stahl-oberflächen durch sog. Beizen. Für den chemischen Beizvorgang werden in der industriellen Stahl- und Buntmetallfertigung vorwiegend Salz-, Schwefel- und Salpetersäure sowie Mischungen von Säuren in großen Mengen eingesetzt. Der Bedarf an Schwefelsäure für die Bearbeitung von Buntmetall- und Stahlbändern ist nicht publiziert, kann aber aus Literaturangaben für den Verbrauch und den Produktionszahlen auf deutschlandweit jährlich ca. 85.000 Tonnen eingeschätzt werden. EU-weit werden jährlich ca. 500.000 t Schwefelsäure für das Beizen von Metallen eingesetzt. Aufgrund steigender Qualitätsanforderungen bei gleichzeitiger Tendenz zur Reduzierung der Blechstärke ist zukünftig selbst bei stagnierender Produktion damit zu rechnen, dass zunehmend größere Flächen zu entzundern sind.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenDas umweltrelevante Ziel des Projektes bestand in der Entwicklung eines leistungsfähigen, umweltneutralen und industriell einsetzbaren Verfahrens (FAVOR: fluid-abrasives Verfahren zur Oberflächenrevision) als Ersatz für das weltweit verbreitete, umweltbelastende Beizen. Das FAVOR-Verfahren nutzt den abtragenden Effekt von abrasiven Partikeln, die in einer Prozessflüssigkeit suspendiert auf die verzunderte Oberfläche aufgebracht und gezielt an ihr entlang geführt werden. Der Abtrag der Zunderschicht wird durch eine rein mechanische Wirkung erzielt. Die eingesetzten Stoffe sind für sich und in ihrer Kombination umweltneutral. Daraus ergeben sich gegenüber dem konventionellen Beizen unmittelbar ökologische und ökonomische Vorteile bei Herstellung, Transport, Lagerung, Verfahrens-, Anlagen- und Sicherheitstechnik sowie bei der Abwasser- und Abluftbelastung und Entsorgung.


Ergebnisse und Diskussion

Bei dem geplanten FAVOR-Verfahren wird der abtragende Effekt von abrasiven, in einer Prozessflüssigkeit eingebetteten Partikeln für die Entzunderung von Metallbändern genutzt. Projektschwerpunkt war die Entwicklung eines geeigneten Bearbeitungskopfes, der hohe Abtragleistungen, hinreichende Standzeiten und eine geringe Rautiefe bei der Bearbeitung von großflächigen Werkstücken sicherstellt. Zudem wurden die Betriebsparameter ermittelt, mit denen die auf Buntmetall (Kupfer) erzeugten Zunderschichten zuverlässig, wirtschaftlich, effizient und umweltneutral abgetragen werden können.
Schwerpunkt der in diesem Abschlussbericht dargestellten Phase 1 (Laborphase) war die Konzeption sowie die Entwicklung und der Aufbau einer kontinuierlich arbeitenden FAVOR-Laboranlage sowie der grundsätzliche Nachweis von Funktion und Wirtschaftlichkeit des FAVOR-Verfahrens. Die in Phase 1 (Laborphase) realisierte Anlage wurde im Projektverlauf beim Partner Wieland-Werke AG aufgebaut und erprobt. Der Funktionsnachweis der Laboranlage wurde am Beispiel der Entzunderung von ausscheidungsgehärteten, niedrig legierten Kupferbändern erbracht.


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

Die aktuell zu Abschluss der 1. Projektstufe vorliegenden Zwischenergebnisse der Laborphase werden in dem vorliegenden Abschlussbericht zum DBU-Projekt zusammengefasst und veröffentlicht.
Aufgrund der noch nicht abgeschlossenen Entwicklungsarbeiten und der Möglichkeit, dass die Realisierung der zukünftig in Phase 2 angestrebten Ziele grundlegende Änderungen am FAVOR-Anlagenkonzept erfordert, sind zum jetzigen Zeitpunkt weitere Veröffentlichungen zu den vorliegenden Zwischenergebnissen nur eingeschränkt sinnvoll. Sobald industriell relevante Ergebnisse aus dem FAVOR-Projekt vorliegen und reproduziert werden können, sind Veröffentlichungen in Form von Artikeln in Fachzeitschriften (z. B. Galvanotechnik, VDI-Nachrichten, Metalloberflächen, usw.) sowie Fachvorträge geplant.


Fazit

Auf Basis der vorliegenden Ergebnisse aus der noch nicht vollständig abgeschlossenen Phase 1 (Laborphase) kann vorsichtig bestätigt werden, dass das FAVOR-Verfahren eine ökologisch sinnvolle Alternative zur Substitution des aktuell eingesetzten, stark umweltbelastenden Beizens darstellen kann. In der diesem Bericht zugrunde liegenden 1. Projektphase wurden Kupferbänder mit einer Bandbreite von 100 mm unter Einsatz des kontinuierlichen FAVOR-Verfahrens bei einer Bandgeschwindigkeit von 3,5 m/min. mit gutem Ergebnis entzundert. Die dabei verwendeten Betriebsstoffe (SiC-Abrasiv und Wasser) wurden im Anschluss an den Entzunderungsvorgang gereinigt und in den FAVOR-Prozess zurückgeführt. Damit wurde im FuE-Projekt der Nachweis erbracht, dass mit dem FAVOR-Verfahren eine ausschließlich mechanische und säurefreie Entzunderung von Buntmetall-Oberflächen in einem geschlos-senen Prozesskreislauf möglich ist. Die eingesetzten Betriebsstoffe SiC und Wasser verhalten sich umweltneutral und können nach Abtrennung aus dem geschlossenen FAVOR-Prozess stofflich weiterverwertet werden.
Auf Grundlage der in der 1. Projektphase erarbeiteten Ergebnisse gehen wir davon aus, dass eine Erweiterung auf die ursprünglich angestrebte Bearbeitungsbreite von 420 mm durch Skalierung der FAVOR-Anlage möglich ist. Hierbei muss jedoch berücksichtigt werden, dass mit zunehmender Bearbeitungsbreite das SiC-Abrasiv nach der Strahlbearbeitung unter Umständen nicht vollständig von der Bandoberfäche entfernt werden kann. Entsprechend ist bei Erweiterung der Bearbeitungsbreite voraussichtlich die Entwicklung und Integration einer zusätzlich Reinigungsstufe (z. B. Hochdruckspülung, Absaugung, usw.) notwendig. Die Versuchsergebnisse zeigen weiter, dass die Bearbeitungsqualität der Oberfläche mit zunehmender Bandgeschwindigkeit schnell abnimmt. Durch die Installation einer zusätzlichen 3. Düsenreihe kann dieser Effekt jedoch kompensiert werden, sodass das angestrebte Bearbeitungsergebnis auch bei einer Bandgeschwindigkeit von 5 m/min. erreicht werden kann. Die mit einem doppelreihigen Sprühbalken erzielten Oberflächenqualitäten bestätigen diese Annahme.