Ersatzzahnkränze für Zementmühlen aus Sphäroguss

Die Gießerei Ferry Capitain im nordostfranzösischen Joinville bietet als Hersteller von Zahnkränzen für Zementmühlen seit Jahren Ersatzkränze aus Sphäroguss für Kugelmühlen an (Bild 1). Diese stellen durch ihre kürzeren Lieferzeiten und die Möglichkeit, daran auch Schweißreparaturen durchführen zu können, eine zuverlässige Lösung bei Reparaturen oder dem Austausch von Bauteilen dar. Ferry Capitain gehört zur Compagnie Industrielle et Financière de Bussy (Groupe CIF).

Als so genannter Sphäroguss wird laut EN 1560 ein Gusseisen bezeichnet, dessen Kohlenstoffanteil über 2,06 % beträgt und in dem der Kohlenstoff in Form von winzigen Kügelchen vorliegt. Durch diesen Kugelgraphit wird das Gusseisen duktil – also verformbar – und schweißbar. Zugleich besitzt es aber stahlähnliche mechanische Eigenschaften. Sphäroguss ist heute ein Alternativwerkstoff zu Stahl. Der Einsatz dieses Baustoffes reduziert Lieferzeiten und Kosten beachtlich.

Der nachstehende Fall bietet dazu ein gutes Beispiel. Das Wotan-Zementwerk in Üxheim-Ahütte in der Eifel hatte für seine Zementmühle Nr. 2 (Durchmesser 3,2 m, Antriebsleistung 1600 kW) bei einem Lieferanten aus Osteuropa einen Ersatzzahnkranz aus Stahlguss G34CrMo4 sowie ein Ersatzritzel aus Stahlguss 42CrMo4 bestellt. Nach Anlauf und Inbetriebnahme dieser neuen Teile stellte man fest, dass das Schwingungsniveau noch höher lag als beim alten Zahnkranz, der jedoch verschlissen und damit unbrauchbar war.

Die Spezialisten von Ferry Capitain führten zunächst eine umfassende Prüfung der neuen Bauteile durch. Dabei zeigte sich, dass der osteuropäische Hersteller die Verzahnungsgeometrie nicht normgerecht ausgeführt hatte: Die Eingriffswinkel von Ritzel und Rad waren unterschiedlich, sodass kein korrekter Zahneingriff erfolgte.

Auf Wunsch des Kunden wurden der Zahnkranz und das Ritzel in einem Ferry Capitain-Schwesterunternehmen der Groupe CIF, der FCMD GmbH in Hattingen/Ruhr (Bild 2), zunächst neu verzahnt. Nach dem erneuten Einbau lief die Zementmühle wieder mit normalen Schwingungswerten sowie mit einem ordentlichen Tragbild.

Einige Wochen später begannen die Schwingungen wieder, sich zu erhöhen. Diesmal war der Hauptgrund für die Unruhe ein abnormaler Verschleiß. Innerhalb von zwei Monaten war dieser vergleichbar mit einem normalen Verschleiß nach fünf Jahren.

Nach einer provisorischen Schweißreparatur wurde der Zahnkranz wieder in Betrieb genommen. Durch ein „Schnell­einlaufen“ – mit einem Reparaturschmierstoff – wurden die Schwingungen wieder reduziert. Allerdings war die generelle Lebenserwartung dieses Zahnkranzes aus Osteuropa als gering anzusehen, und eine spezifische dauerhafte Lösung sollte gefunden werden.

Ferry Capitain profitierte bei diesem Auftrag von der langjährigen Erfahrung beim Gießen von Zahnkränzen aus hochwertigem Sphäroguss, dessen Einsatz in der Mineralindustrie schon weit verbreitet ist. Der größte Vorteil neben der kurzen Produktionszeit im Vergleich zu Stahlguss ist die Werkstoffqualität: Sofort nach dem Guss und der minimalen Abkühlzeit steht ein Bauteil aus Sphäroguss – lunkerfrei, ohne Risse und mit sauberer Oberfläche – zur Verfügung. Das Material erfordert keine thermischen Nachbehandlungen.

Die mechanischen Eigenschaften vom Sphäroguss ähneln sehr den Eigenschaften von Stahlguss, und dies auch bei gleicher Härte. Von den mehr als 700 Sphäroguss-Zahnkränzen, die bei Ferry Capitain hergestellt wurden, ist keiner wegen eines Zahnschadens ausgefallen. In Zusammenarbeit mit dem Centre Technique des Industries ­Mécaniques (CETIM), der französischen technischen Forschungsanstalt für die Maschinenbau­industrie in Senlis, wurden in den letzten Jahren zahlreiche Test­versuche mit Werkstoffen aus Sphäroguss durchgeführt. Diese zeigen deutlich bessere Werte für die Oberflächen-Tragfähigkeitsberechnung als bei Stahlguss. Auch die Zahnfußfestigkeit von Sphäroguss ist sehr ähnlich der von Stahlguss. Als weiterer Vorteil des Materials kommt zum Beispiel noch eine bessere Schwingungsdämpfung hinzu.

Diese Eigenschaften erlauben einen einfachen Ersatz alter Stahlguss-Zahnkränze durch neue Sphäroguss-Zahnkränze – und zwar mit völlig identischen Abmessungen, was auch für Wotan-Zement ausschlaggebend war.

Aufgrund dieses erfolgreichen Ersatzteilauftrages sowie der guten Qualität des gelieferten Zahnkranzes bestellte Wotan einige Jahre später erneut einen Zahnkranz aus Sphäroguss bei Ferry Capitain, zum Einsatz auf einer ähnlichen Zementmühle.

Spezifische und neue Schweiß­versuche bei Zahnkranzverzahnung aus Sphäroguss zeigen, dass eine Reparatur im Betrieb möglich ist – und dies mit minimalem Verlust auf das Ermüdungsverhalten. Dadurch ist es auch möglich, die Ausfallzeit der Produktion zu minimieren.

Seit Anfang 2012 hat das technische Zentrum von einem der führenden internationalen Zementhersteller den Einsatz von Sphäroguss-Zahnkränzen für den Antrieb seiner Öfen und Mühlen freigegeben.