Exkursionsplan
1.Tag
Besichtigung der Wülfrather Rheinischen Kalksteinwerke Wülfrath (Kalksteinabbau und-veredelung, Zementproduktion)
2.Tag
Besichtigung von Thyssen-Stahl Duisburg (Hochofen, Stahlwerk, Stranggießanlage, Walzwerk)
Besichtigung der MVA Hagen mit Rauchgasreinigungsanlage (Müllverbrennung, Rauchgasreinigung, Behandlung der RGR-Rückstände)
3.Tag
Besichtigung der Firma Kalenborn - Hersteller von Verschleißschutzauskleidungen aus ABRESIST - Schmelzbasalt (Führungen durch die Schmelz-und Verarbeitungshallen)
Besichtigung des BAG-Steinbruchs "Mehrburg"
1. Rheinische Kalksteinwerke Wülfrath
Nach einer kurzen Begrüßung durch Herrn Motzet,wurde uns ein Video zur Kalkgewinnung im Niederbergischen Land gezeigt. Zur Wülfrather Gruppe gehören die Rheinischen Kalksteinwerke Wülfrath, die Wülfrather Zement GmbH, sowie die Dolomitwerke GmbH. Verschiedene Produktionszweige sind: Kalk-und Dolomitverarbeitung zur Zement -und Fertigbaustoffproduktion, Feuerfest und Keramik, Umweltschutz (Rauchgasreinigung, Wasseraufbereitung mit Hilfe von Kalksteinmehl und -milch).
Geologie des Abbaugebietes:
-gelegen am NW-Rand des Rheinischen Schiefergebirges
-Gestein: Massenkalk der Grenze Mittel-/ Oberdevon, ca.370 Mill.a alt, 300m bis 350m mächtig, mit Tonschiefer im Liegenden und Velberter Schichten im Hangenden
-ausgeprägte Sattel-Mulden-Struktur mit Abtauchen nach NW
-Kleinfaltenstruktur und umlaufendes Streichen am Velberter Sattel
-Starke Bruchtektonik NW-SE (Rheintalstörung), d.h.senkrecht zum Schichtstreichen (dadurch Verunreinigungen auf Kluftflächen)
NW Velberter Herzkämper Remscheid- SE
Sattel Mulde Altenaer Sattel
Abbau und Verarbeitung des Kalksteines:
In der Gegend von Wülfrath gibt es mehrere Kalksteinvorkommen. Abgebaut wird zur Zeit in den Steinbrüchen Prangenhausen und Rohdenhausen.Der Abbau erfolgt durch Sprengen.
1. Sprenglöcher bohren (bis zu 20m ins Gestein).
2. Sprenglöcher füllen mit "Sprengstoff".
3. Sprenglöcher zünden im Millisekundenabstand, um allzu starke Erschütterungen zu vermeiden.
Das abgesprengte Gestein wird abtransportiert, um es in Kreiselbrechern zu zerkleinern. Über ein Transportband gelangt das zerkleinerte Gestein in die Wasch-und Vorsortieranlage. Diese besteht aus rotierenden Waschtrommeln und Schwingsieben. Die Siebe dienen zur Korngrößensortierung. Danach wird das Gestein im Glasierwerk nachgebrochen und zu Schotter, Split und Sand zermahlen, oder in der Kalkbrennerei gebrannt. In Wlfrath geschieht das in Drehrohröfen, die mit Braunkohlenstaub beheizt werden, der unter hohem Druck in den Ofen geblasen wird. Aus dem Ofen erhält man Stückkalk (Branntkalk), der zerkleinert oder zu Feinkalk zermalen wird.
Kalkprodukte:
1. Kalkstein - mehr als 85% CaCo3,natürliches Gestein
2. Branntkalk-mehr als 75% CaCo3 (thermische Dissoziation, CaCo3 + Wärme --> CaO + CO2)
3. Kalkhydrat- Hydratation aus Branntkalk (gelöschte Produkte, CaO + H2O --> Ca(OH)2 + 65 kJ*mol/l, stark exotherme Reaktion)
Materialverluste:
10% Waschverluste
10% Verunreinigungen
12-13% Co2-Verluste
Steinbruch Rohdenhaus:
-Massenkalk des Devon mit Karst-und Dolinenbildungen
-Solenhöhe ist 20 m
-deutlich sichtbare Störungszonen im Massenkalk (Verfärbungen durch Fremdmaterial)
-Eisenlimonit sichtbar (hohes Gewicht)
Kalk für den Umweltschutz:
Kalk ist unter anderem nutzbar zur Abgasreinigung (siehe MVA Hagen), zur Wasseraufbereitung und Industriewasserreinigung, zur Klärschlammbehandlung, sowie zur Erhaltung der Bodenfruchtbarkeit (Naturkalkeinsatz).
2.Thyssen - Stahlwerk in Duisburg
Im Stahlwerk wurden wir von Herrn Schetter und Herrn Rokitt begrüßt. Von Ihnen erfuhren wir, daß im Jahr 1871 der Grubenvorstand von Obhausen die Errichtung eines Stahlwerkes mit Martinsöfen beschloß, und somit die Geschichte des Stahlwerkes ihren Anfang nahm. 1891 erfolgte der 1. Stahlabstich im Werk Brockhausen. Dort befindet sich heute die Roheisenproduktion für das Stahlwerk. Das heutige Firmengelände erstreckt sich über eine Fläche von 12 km2, mit 70 km Straßennetz und 600 km Gleisnetz. Das Eisenerz zur Stahlproduktion bezieht Thyssen-Stahl zu 55% aus Brasilien, zu je 20% aus Kanada und Australien, sowie zu 5% aus Skandinavien. Es gelangt über den Hafen Rotterdam, den Rhein abwärts, zum Hafen Schwelger am Thyssen - Stahlwerk. Von den fünf Hochöfen sind drei in Betrieb, in denen je 10000t Roheisen pro Tag produziert werden (ges.30000t). Der Energieverbrauch bei der Stahlproduktion ist enorm. Täglich werden 3 Mill.m3 Wasser benötigt, wobei 97% davon wieder recycelt werden. Anfallendes Gas wird in zwei Kraftwerken weiterverarbeitet. Die so produzierte Energiemenge beträgt immerhin 600 Megawatt pro Tag. Nach diesen Einführungen begann der "Rundgang" durch das Werk.
Als Stahl bezeichnet man alle Eisenwerkstoffe, die nicht mehr als 2,06% Kohlenstoff enthalten und die für die Warmformgebung geeignet sind.
1.Hochofen
Herstellung von Roheisen = 1. flüssige Phase
Der Ausgangsstoff zur Herstellung von Stählen ist das Roheisen. Eisen kommt in der Natur nur als Eisenerz, also in gebundener Form vor. Zur Verarbeitung im Hochofen, muß das Erz bestimmte Korngrößen besitzen. Dazu wird es aufbereitet.
Das Eisenerz wird im Hochofen durch Reduktion zu Roheisen umgewandelt. Der Hochofen ist ein stetig arbeitender Schachtofen aus festem Mauerwerk, von Kühlkanälen durchzogen und von einem Stahlgerüst gestützt. Zu jedem Ofen gehören bis zu vier Winderhitzer. In ihnen wird die zum Hochofen strömende Verbrennungsluft (Heißwind) durch gerade verbrennendes Gichtgas aus dem Ofen selbst erwärmt.
Der Ofen wird schichtweise mit Koks und Möller (Gemisch von Erz mit Zuschlägen, vor allem Kalk) beschickt. Die Zuschläge schmelzen im heißen Teil des Hochofens zu einer Schlacke, und nehmen die Gangart auf. Als Gangart bezeichnet man erdige Beimengungen im Erz. Die Verbrennung (teilweise) des Kokses liefert die Schmelzwärme und die nach oben steigenden Gichtgase. Diese Gase erwärmen die eingebrachten Stoffe, wobei Eisenerz durch Kohlenmonoxid und Koks zu Eisen reduziert wird. Das Eisen wird mit dem Abstich aus dem Hochofen abgelassen. Die ebenfalls entstandene Schlacke schwimmt nun auf dem Roheisen und nimmt den Schwefel des Erzes und des Kokses auf.
Das Roheisen ist ein Zwischenprodukt. Das Stahlroheisen hat einen hohen Mangangehalt, der eine helle, strahlige Bruchfläche bewirkt. "Diese ist meist grau, da der hohe Siliciumgehalt den Kohlenstoff als Graphit ausscheidet. Der Transport des Roheisens vom Hochofen zum Konverter erfolgt zusammen mit Eisenschrott im Roheisenmischer.
2.Konverter
Frischen von Stahl (Rohstahlaufbereitung) = 2. flüssige Phase
Das Roheisen aus dem Hochofen enthält neben Kohlenstoff auch noch zu hohe Beimengungen an Mangan, Silicium, Schwefel und Phosphor. Bei der Umwandlung von Roheisen in Stahl muß der Kohlenstoffgehalt, sowie die Konzentration unerwünschter Bestandteile stark herabgesetzt oder beseitigt werden. Diesen Vorgang nennt man "Frischen". Das in Duisburg dazu eingesetzte Verfahren ist ein Sauerstoff-Blasverfahren.
Zuerst wird der Konverter mit flüssigem Roheisen (1600-1700°C, +Schrott) beschickt. Nachdem der Konverter wieder aufgerichtet wurde, wird damit begonnen Sauerstoff und Argon in das Roheisen einzublasen. Das löst eine stürmische Reaktion des Sauerstoffs mit den unerwünschten Bestandteilen aus. Diese und der Kohlenstoff verbrennen dabei fast vollständig, und die Schmelze kocht (~2000°C). Das zusammen mit dem Sauerstoff eingeblasene Argon, übernimmt die Aufgabe des Spülgases. Es durchperlt die Schmelze und schwemmt Verunreinigungen an die Oberfläche.
Um die Schlackebildung einzuleiten, wird Kalk zugegeben. Er bindet die festen Abbrandprodukte. Danach wird noch Kühlschrott in den Konverter nachgefüllt, um die Schmelze abzukühlen. Weiterhin werden Legierungsbestandteile und Desoxidationsmittel, wie Ferrosilicium oder Aluminium eingebracht. Dies binden den Sauerstoff, wodurch man einen von Gasblasen freien Stahl erhält.
Der Rohstahl wird nun über den Konverterrand in eine riesige "Pfanne" abgegossen. Die leichtere Schlacke sammelt sich oben und kann nun auch vom Rohstahl getrennt und abgegossen werden.
Im Stahlwerkskonverter wird das Roheisen somit zu bis auf 10% reinen Rohstahl (da noch glühend) aufbereitet.
3.Vergießen des Stahls in der Stranggußanlage
Die Stranggußanlage im Stahlwerk ist 1974 in Betrieb gegangen. Hier erhält der Stahl durch fortlaufendes Stranggießen seine Ausgangsform für die Weiterverarbeitung im Walzwerk. Er wird aus der Gießpfanne, über Zwischenbehälter, in wassergekühlte Kokillen gegossen. Dort erstarrt er zuerst nur in der Randzone. So entsteht ein innen noch flüssiger Stahlstrang, der fortlaufend nach unten aus der Kokille gezogen wird. Nachfolgend wird der Strang weiter mit Wasser besprüht und erstarrt so langsam weiter. In der Duisburger Anlage wird mit einer Geschwindigkeit von 1,1-1,3m in der Minute ein 250 mm breiter Endlosstahlstrang produziert.
4.Warmbreitbandstraße
Hier werden die Stahlstränge (Brammen) durch mehrere hintereinander angeordnete Walzgerüste warm gewalzt. Alle Walzen sind wassergekühlt und über Rechner gesteuert. Die Brammen sind zum Walzbeginn 10m lang. Beim Endprodukt kann die Walzstärke zwischen 1,5 mm und 25,4 mm liegen. Dünne Bänder und Bleche werden anschließend noch kaltgewalzt. Dadurch erhalten sie eine glatte zunderfreie Oberfläche. Das Endprodukt der beschriebenen Produktion ist ein 1m breites und 2 mm dickes Stahlband, welches zu Rollen aufgerollt wird. Auf einer Stahlrolle befinden sich 800 m bis 900 m Stahlband.
5.Block und Profilwalzwerk
Dieses Walzwerk steht seit 1920. Produziert wird nach einer Technologie von 1955. Ein wichtiger Faktor im Stahlwerk ist die Produktion von Schienen. 40 verschiedene Arten von Eisenbahnschienen und 8 verschiedene Straßenbahn- und Kranschienen werden hier hergestellt. Ein "Verkaufsschlager" der Thyssen - Stahlwerke sind "Kopfinduktiv gehärtete Schienen". Hierbei sind nur die jeweils ersten 0,3m bis 0,5m der Schiene gehärtet. Der Teil dazwischen bleibt ungehärtet und somit elastisch .Dadurch sind solche Schienen besonders für enge Kurven geeignet.
Feuerverzinkungsanlage: Das verzinkte Material wird noch zusätzlich geglüht oder mit Aluminium beschichtet.
3. Müllverbrennungsanlage Hagen
Das Verfahren der Anlage basiert auf Müllverbrennung mit Rostfeuerung (Kesseldurchsatz 6 t/h). Der Müll wird direkt von den Müllfahrzeugen in den Stapelbunker (Müllbunker) gekippt, vermischt und zerkleinert. Dann wird er per hydraulischem Schieber in die Feuerung hineingedrückt. Nachgeordnet ist ein Rost mit Walzen, über den der brennende bzw. glühende Müll geleitet wird. Durch diesen Rost wird zur Trocknung und weiteren Verbrennung Luft geblasen. An der letzten Walze bleibt von dem Müll nur noch Asche, die im Naßentschlacker mit Wasser abgelöscht wird, und Rauchgas übrig. In einem nachgeschalteten Kessel werden die Rauchgase auf 400 °C abgekühlt. Dadurch wird Sattdampf für Fernwärme erzeugt.
An die Müllverbrennung ist eine Rauchgasreinigungsanlage angeschlossen, die nach dem Quasitrockenverfahren auf Kalkbasis arbeitet (Vorgaben: TA-Luft oder 17. BlmschVO). In dieser Anlage werden die entstehenden Rauchgase gereinigt (Rauchgas: Stäube, Dioxine, saure Schadstoffe wie HCl, H2F2, SO2 und NOx). Beim Quasitrockenverfahren müssen die anfallenden Rückstände der Reinigung wiederverwertbar sein. Zuerst werden die Abgase im Zyklon entstaubt. Dann wird Kalkmilch in den Abgasstrom eingesprüht (Sprühabsorption). Die Kalkmilch verbindet sich mit Gasteilen und bildet Salz --> Schwefeldioxid als Calciumsulfit (CaSO3) und Calciumsulfat (CaSO4) sind als Reaktionsprodukte gebunden. Dem Ganzen sind Elektrofilter nachgeschaltet. Nachdem das Wasser aus den Reaktionsprodukten verdampft ist, werden die nun trockenen Reaktionsprodukte aus dem Prozeß abgeschieden. Ein trockenes Reaktionsprodukt ist zum Beispiel hochreiner Gips.
Die weitere Verwertung von Reststoffen (10 t/d) beinhaltet auch die Herstellung von Salzsäure oder Natriumchlorid / Calciumchlorid aus der Abscheidung von HCl, sowie die Herstellung wiederverwertbarer Rostaschen und Stäube. Eine Beseitigung von Reststoffen aus der Verbrennung (Schlacke, Salze, Stäube) ist schwierig. Dazu benutzt man verschiedene Verfahren, wie das Solur - Glasschmelzverfahren (Hot Top; Verglasung der Stäube) und das Alinitzementverfahren. Hierbei werden Rückstände bzw. Reststoffe der Rauchgasreinigung gegebenfalls mit Zuschlagstoffen vermischt. Danach wird die Mischung in Drehrohröfen gebrannt, wozu nur eine Temperatur von 1100°C benötigt wird. Danach wird sie zermalen zu Zement. Im Gegensatz zur Produktion von Portlandzement, mit einer Temperatur von 1400°C, bedeutet das natürlich eine nicht unerhebliche Energieeinsparung. (Vereinfachte Formel: 21 CaO + 6 SiO2 --> Al2O3 + CaCl2 ). Alinitzement hat eine hohen Chloridgehalt bzw. hohen Chlorgehalt und ist so nutzbar für Bergbaumörtel (Inhalt: Kalkstein, Zement, Flugasche und Beschleuniger). Bei Alinitzement muß zur Herstellung des Mörtels aber nur noch Kalkstein im Verhältnis 1:1 zugegeben werden. Zur Zeit ist dieses Verfahren aber noch zu teuer und lohnt sich nur, wenn das Zementwerk direkt an die Müllverbrennung angeschlossen ist.
4. Firma Kalenborn und BAG-Steinbruch "Mehrburg"
Die Firma Kalenborn (Basaltschmelzwerk für Verschleißschutz-Auskleidungen) befindet sich bei Linz am Rhein. "In der Firma werden Verschleißwerkstoffe aus Abresist-Schmelzbasalt z. B. für Leitungen hergestellt. Weitere Produkte der Firma sind Aluminiumoxidkeramik, SiC-Keramik und nitritgebundene SiC-Keramik. Herstellung von Schmelzbasalt:
1. Schmelzofen: Der Basalt wird als Schotter von oben in den Ofen mit Rückwandbrenner gegeben und dort geschmolzen. Die Schmelztemperatur liegt bei 1300°C.
2. Der geschmolzene Basalt wird in Sandformen, Kokillen oder Schleuderformen gegossen. Die Gießtemperatur beträgt 1100°C.
3. Die Formen kommen in den Rekristallisationsofen, wobei Restbestandteile von Magnetit und Olivin als Rekristallisationskeime dienen und durch ihre Anteile den Viskositätsverlauf bestimmen. Durch einen speziellen Temper- und Abkühlprozeß von ca. 24 h, erhaltendie Gußstücke ein gleichmäßig kristallines Gefüge und somit ihre hohe Härte und Abriebsfestigkeit. Das Ergebnis sind Abresistrohre und Abresistformteile. Wegen der notwendigen bestimmten Basaltqualitäten (ausgesucht gleichmäßiges Gefüge) ist eine Rohstoffsicherung im Vorfeld nötig.
Zur Zeit wird der Basalt von den Hartsteinwerken BAG-Steinbruch Mehrburg geliefert. Der Basaltabbau erfolgt durch Sprengung. Dadurch sind Säulen bis 1,60m möglich. Der Preis für eine 1m lange Säule beträgt 165 DM ohne Mehrwertsteuer. Ein Teil des Basalts wird zu Edelspliten verarbeitet.
Geologie:
- 20 bis 40 Millionen Jahre alter Basalt aus dem Oligozän / Miozän
- subvulkanisch, durch extrem langsame Abkühlung unter bestimmten Druckverhältnissen entstanden
Der Eisengehalt des Basalts ist sehr hoch. Deshalb wird er von der Firma Kalenborn nicht als Isolator benutzt.
Literaturverzeichnis:
-Autorenkollektiv, Leitung Ulrich Fischer (1992): Fachkunde Metall S.234-239, Verlag Europa-Lehrmittel, Nourney, Vollmer GmbH & Co.,
Haan-Gruiten
-Autorenkollektiv, Leitung Ulrich Fischer (1992): Tabellenbuch Metall S. 96a und S. 145, Verlag Europa-Lehrmittel, Nourney, Vollmer GmbH & Co.,
Haan-Gruiten
-Kalenborn Kalprotect "Werkstoffe und Wissen zur Kostensenkung bei Abrasiv-Verschleiß", Prospekt:"Verschleißschutzauskleidungen nach Maß"