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Ansicht der Longlife-Blasform für den Einsatz im Hochofen.
© BFI
Industrie - Hochofentechnik
11.04.2018

Ein Springschwanz. Der kleine Gliederfüßer ist etwa vier Millimeter groß.
© Technische Universität Dresden, Institut für Botanik

Oberflächenstruktur der Longlife-Blasform mit Lotus-Effekt.
© BFI

Das Vorbild für die Beschichtung aus der Natur: Elektronenmikroskopische Aufnahme der Wasser- und ölabweisenden Hautoberfläche eines Springschwanzes. Erkennbar ist die regelmäßige hexagonale Struktur der Collembolencuticula.
© Technische Universität Dresden, Institut für Botanik

Bionische Oberflächen am Hochofen einsetzen

In Hochöfen wird etwa 1.200 °C heiße Luft in den Reaktionsraum für den Reduktions- und Schmelzprozess des Eisens eingeblasen. Dazu dienen spezielle wassergekühlte Düsen aus Kupfer, sogenannte Blasformen. Diese können durch glühende Eisentropfen beschädigt oder zerstört werden. Dann muss energie- und kostenaufwendig repariert werden. Forschern ist es gelungen, die Oberfläche dieser Blasformen nun so zu gestalten, dass sie flüssiges Eisen einfach abtropfen lassen. Dieser neue Abperl-Effekt lässt sich mit dem Lotus-Effekt bei Blättern vergleichen.

Häufigste Ursache für Hochofenstillstände sind durchgebrannte Blasformen. Meistens werden diese durch Kontakt der Blasformoberfläche mit herabfließendem, flüssigem Roheisen geschädigt.

Um solche Schäden zu minimieren, untersuchten die Forscher, wie sie einen Schutzmechanismus für die Blasformen entwickeln können, der ähnlich dem Lotus-Effekt funktioniert. Ein ehrgeiziges Ziel, denn hier geht es nicht um Wassertropfen, sondern darum, im Hochofen flüssiges Roheisen von der Kupferoberfläche fernzuhalten. Während der Schmelzpunkt von Kupfer bei 1.084 °C liegt, ist die Oberfläche der (aufwendig gekühlten) Formen im Hochofen Temperaturen von bis zu 2.300 °C ausgesetzt. Mit der neuen Strukturierung der Oberfläche erreichen die Forscher, dass die Kupfer-Blasformen den im Hochofen herrschenden extremen Temperaturen länger standhalten. Wenn flüssiges Metall mit Temperaturen von 1.500 bis 1.800 °C nicht langen, intensiven Kontakt zur Form hat, sondern abperlt, reduziert sich der Wärmestrom in die Blasform deutlich – und damit die Gefahr, dass diese beschädigt wird oder durchbrennt. Die dadurch erreichte Verlängerung der Standzeit von Hochofenblasformen bewirkt eine Verringerung des unproduktiven Energieeinsatzes, des CO2-Ausstoßes und der Betriebskosten.

Das vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi) geförderte Projekt „Steigerung der Energieeffizienz beim Hochofenbetrieb durch Erhöhung der Anlagenverfügbarkeit mittels neuartiger Longlife-Blasformen“ wird im Laufe dieses Jahres mit der Praxiserprobung abgeschlossen. Die von der interdisziplinären Forschergruppe um den Botaniker Prof. Christoph Neinhuis und dem Physiker Dr. Wilfried Konrad von der Fakultät Biologie der Technischen Universität Dresden und Dr. Jörg Adam vom VDEh Betriebsforschungsinstitut (BFI) zusammen mit Siegfried Konietzko vom Blasformhersteller Lebronze Alloys – Hundt & Weber entwickelte bionische Oberflächenstrukturierung wurde bereits zum Patent angemeldet.

Luftpolster schützen die Blasform vor flüssigem Eisen

Bei der neuen Gestaltung der Oberfläche orientierten sich die Forscher an der Hautstruktur von kleinen Bodenbewohnern, den Springschwänzen (Collembolen). Die Körperoberfläche dieser Gliederfüßer (Arthropoden) ist durch ein Netz von Löchern und Vertiefungen, die Luft einschließen, extrem wasserabstoßend. Ein vergleichbares Luftpolster schützt als wärmedämmende Schicht die Blasform, deren Oberfläche nach diesem natürlichen Vorbild gestaltet ist. Die erforderliche Oberflächenstruktur lässt sich unkompliziert herstellen, anschließend wird sie chemisch modifiziert.

Einfach alles abperlen lassen…

Dr. Jörg Adam stellt fest: „Bei den Laborversuchen im BFI haben wir bereits sehr gute Ergebnisse erzielt. Von der Oberfläche der konditionierten Probekörper perlt flüssiges Roheisen ab – wir haben hier im Hochtemperaturbereich einen Effekt, der vergleichbar mit dem Lotus-Effekt bei Pflanzenblättern ist. Wir sehen gute Chancen, diesen Effekt auch bei anderen Metallen und Oberflächen nutzen zu können.“

Die bisherigen Untersuchungen zeigten, dass sich eine 30 bis 35 mm dicke, ungekühlte Modellplatte, die durch das Einwirken des flüssigen Eisens sonst in wenigen Sekunden durchschmelzen würde, sich mit dieser Beschichtung nicht über 200 °C erhitzt.

Die Entwicklungen und Vortests sind inzwischen soweit fortgeschritten, dass die produzierten Prototypen den Praxistest in einem Hochofen durchlaufen können. Dieser Praxistest wird nun vorbereitet. Dabei untersuchen die Forscher, wie die Beschichtung auf die Beanspruchungen im Betrieb reagiert.

Praktiker sind sehr daran interessiert, diese haltbareren Blasformen einzusetzen. Da sie länger betrieben werden können, bis ein Austausch erforderlich wird, lassen sich große Energiemengen einsparen; denn die gesamte Hochofen-Peripherie muss weiterlaufen, während die Blasformen ersetzt werden. Das bedeutet, pro Stillstand ergibt sich im Mittel ein Mehraufwand an Koks von ca. 1.500 GJ. Die Experten des BFI gehen davon aus, dass sich in Deutschland die Energieverluste durch Blasformschäden über ein Jahr gerechnet um etwa 1.600 TJ reduzieren lassen.

Bereits im Jahr 2017 erhielten die Forscher für ihre Entwicklung den Materialica Gold Award im Bereich „Surface and Technology“ im Rahmen der Messe eMove 360 in München.

(gh)

Merkzettel

Adressen

Projektplanung und -koordination, Labor-, Technikums- und Industrieversuche
VDEh Betriebsforschungsinstitut GmbH

Wirkung strukturierter Oberflächen im Hochtemperaturbereich
TU Dresden, Institut für Botanik

Blasformfertigung, Technikums- und Industrieversuche
lebronze alloys Germany GmbH - Hundt & Weber

Links

Von der Natur lernen
Video der TU Dresden zum Funktionsprinzip der flüssigkeitsabweisenden Hautstrukturen von Springschwänzen

Forschungsförderung

Das Informationssystem EnArgus bietet Angaben zur Forschungsförderung, so auch zu diesem Projekt.