Ziel der Entwicklung

Logo: Vergleich verzinkter Stahlkörper nach gleicher Auslagerungsdauer bei unterschiedlichen Temperaturen © Institut für Korrosionsschutz Dresden GmbH
Vergleich verzinkter Stahlkörper nach gleicher Auslagerungsdauer bei unterschiedlichen Temperaturen © Institut für Korrosionsschutz Dresden GmbH

Die Motivation für das vorliegende Forschungs- und Entwicklungsprojekt ergibt sich aus aktuellen Anforderungen der Stückverzinkungsindustrie im Zuge der Umstellung auf bleifreie Zinkschmelzen. Der Einsatz von Legierungselementen wie Bismut (Bi), Zinn (Sn) und Aluminium (Al) ist heute Stand der Technik, führt jedoch zu neuen Herausforderungen hinsichtlich der Beständigkeit und Lebensdauer von Verzinkungskesseln.
Während die Einflüsse von Bi und Sn auf die Kesselstandzeiten bereits in früheren Forschungsvorhaben untersucht wurden, besteht insbesondere beim Einfluss von Aluminium noch erheblicher Klärungsbedarf. Vorangegangene Untersuchungen deuten darauf hin, dass Aluminium eine maßgebliche Rolle beim Angriff auf den Kesselstahl sowie bei der Schädigung der schützenden δ1 Phase an der Kesselinnenwand spielt. Dies kann im Betrieb zu erhöhten Stahlabtragsraten und im schlimmsten Fall zu vorzeitigem Kesselversagen führen.
Ziel des Projekts ist daher die Entwicklung einer Stückverzinkungsrichtlinie mit Fokus auf die Kesselstandzeiten unter Einsatz bleifreier, Al-, Bi- und Sn-haltiger Zinkschmelzen. Im Mittelpunkt steht die systematische Untersuchung des Einflusses von Aluminium sowie dessen Wechselwirkungen mit Bismut und Zinn auf die Stahlabtragsraten und damit auf die Lebensdauer von Verzinkungskesseln.
Aufbauend auf bisherigen Kurzzeituntersuchungen und abgeschlossenen Forschungsvorhaben werden hierzu realitätsnahe Langzeitversuche durchgeführt. Dabei werden sowohl praxisübliche Konzentrationsbereiche als auch gezielt erhöhte Legierungsgehalte betrachtet, wie sie beispielsweise durch Fehler beim Nachlegieren entstehen können. Zusätzlich werden thermische Einflüsse berücksichtigt, etwa durch lokale Temperaturunterschiede infolge unvollständig aufgelöster Nachlegierungsbarren, die zu Spannungsrissen und einer verstärkten Schädigung der Schutzschichten führen können.
Ein wesentliches Ziel ist die Bestimmung sicherer Konzentrations- und Temperaturbereiche, die eine Minimierung der Stahlabtragsraten und damit ausreichend lange Kesselstandzeiten gewährleisten. Dabei sollen insbesondere kritische Zustände identifiziert werden, die zu einer beschleunigten Schädigung der Kesselinnenwand oder zu Kesseldurchbrüchen führen können.
Insgesamt leistet das Projekt einen wichtigen Beitrag zur Erhöhung der Betriebssicherheit und Wirtschaftlichkeit in der Stückverzinkungsindustrie, indem es fundierte Grundlagen für den sicheren Einsatz moderner, bleifreier Zinkschmelzen mit optimierten Kesselstandzeiten bereitstellt.

Vorteile und Lösungen

Das Projekt zielt auf die Entwicklung einer praxisnahen Richtlinie für das Stückverzinkungsverfahren ab, die als belastbare Grundlage für den industriellen Betrieb und die Bewertung prozessrelevanter Einflussgrößen dient.
Der zentrale Lösungsansatz besteht in der systematischen Aufarbeitung und Verknüpfung der maßgebenden Einflussgrößen im Verzinkungsprozess zu einem geschlossenen, praxisorientierten Bewertungsrahmen. Dabei werden insbesondere die Wechselwirkungen zwischen Schmelzzusammensetzung, thermischen Bedingungen und werkstoffseitigen Schädigungsmechanismen so aufbereitet, dass sie für den industriellen Einsatz nachvollziehbar und anwendbar sind.
Durch die differenzierte Betrachtung verschiedener Konzentrationsbereiche wird deutlich, dass bereits vergleichsweise geringe Veränderungen der Schmelzzusammensetzung zu einer deutlichen Veränderung des Schädigungsverhaltens führen können. Die daraus gewonnenen Erkenntnisse ermöglichen eine strukturierte Ableitung kritischer Betriebsbereiche.
Darüber hinaus werden die kombinierten Einflüsse weiterer Legierungselemente wie Bismut und Zinn berücksichtigt. Das Projekt zeigt, dass diese Elemente in Verbindung mit Aluminium eine verstärkende Wirkung auf die Schädigungsprozesse haben können und somit die Prozessstabilität zusätzlich beeinflussen.
Ein weiterer Schwerpunkt liegt auf der Ableitung geeigneter Temperaturbereiche für den industriellen Betrieb. Die Untersuchungen zeigen, dass die Temperaturführung in direktem Zusammenhang mit der Ausbildung und Stabilität der Schutzschichten steht und daher als zentrale Prozessgröße in die Richtlinie integriert wird. Dadurch können stabile Betriebsfenster definiert werden, die eine gleichmäßige Prozessführung unterstützen.
Insgesamt führt das Projekt die relevanten Einflussgrößen des Stückverzinkungsverfahrens in einer klar strukturierten und anwendungsorientierten Richtlinie zusammen und schafft damit eine Grundlage für eine sicherere und reproduzierbare Prozessführung.

Zielgruppe und Zielmarkt

Das Forschungs- und Entwicklungsprojekt richtet sich primär an die Feuerverzinkungsindustrie. Diese bildet die zentrale Zielgruppe, da die Standzeit des Verzinkungskessels einen der kritischsten wirtschaftlichen Faktoren im laufenden Betrieb darstellt. Durch die im Projekt gewonnenen Erkenntnisse zum Einfluss des Aluminiumgehalts in bleifreien Bi-Sn-Zinkschmelzen wird eine belastbare Datengrundlage geschaffen, die eine gezieltere und sicherere Prozessführung ermöglicht. Hierdurch lassen sich Risiken für unvorhersehbare Kesselschäden signifikant reduzieren, wodurch erhebliche wirtschaftliche Verluste vermieden werden können.
Ein weiterer relevanter Zielmarkt sind Anbieter von Zink-Aluminium-Vorlegierungen. Diese können die Forschungsergebnisse nutzen, um ihre Produkte hinsichtlich präziser Aluminiumgehalte und deren Einsatzverhalten in modernen Schmelzen weiterzuentwickeln. Darüber hinaus profitieren ingenieurtechnische Beratungs- und Forschungseinrichtungen von dem erarbeiteten Prozessverständnis, welches direkt in die technische Unterstützung von Anwenderunternehmen einfließt. Die Projektergebnisse ermöglichen es dem IKS Dresden, seine spezialisierten Dienstleistungen im Bereich der Schadensprävention weiter zu qualifizieren und als kompetenter Transferpartner zwischen Forschung und industrieller Praxis zu fungieren.
Der Zielmarkt ist durch die europäische Feuerverzinkungsindustrie geprägt, die unter hohem Kosten- und Qualitätsdruck steht. Darüber hinaus besitzen die Projektergebnisse auch internationale Relevanz, da vergleichbare Anforderungen an Prozesssicherheit und Kesselstandzeiten weltweit in der Feuerverzinkung bestehen.
Die Anwender profitieren insbesondere von der Definition von Schwellenwerten für den Aluminiumgehalt sowie für prozessrelevante Parameter der Schmelzbadführung. Dadurch wird ein sicherer und reproduzierbarer Betriebsbereich geschaffen, der eine wirtschaftlich optimierte Anlagenführung unterstützt.
Der Transfer der Ergebnisse in die Praxis erfolgt über etablierte Wege wie Fachvorträge auf internationalen Konferenzen (z. B. Intergalva, EGGA, Eurocorr) sowie durch die aktive Einbindung in nationale und internationale Fachverbände (z. B. Industrieverband Feuerverzinken e.V., Forschungsvereinigung Feuerverzinken e.V.). Die enge Vernetzung des IKS Dresden mit der Industrie gewährleistet eine direkte Überführung der Erkenntnisse in die betriebliche Realität sowie perspektivisch in normative Regelwerke.
Für das IKS Dresden ergeben sich positive wirtschaftliche Effekte durch den Ausbau der wissenschaftlichen Expertise im Bereich zukunftsweisender, bleifreier Zinkschmelzen. Dies stärkt die Position des Instituts als führender Forschungspartner und erweitert die Spielräume für industrielle Beratungstätigkeiten und künftige Projektakquise. Erste Anwendungsimpulse bestätigen diesen Weg bereits durch die laufende Zusammenarbeit mit Industriepartnern, die die entwickelten Ansätze zur Bewertung ihrer Badführung heranziehen.