Die Rotorblätter moderner Windenergieanlagen drehen schnell und werden bei böigem Wind zudem schlagartig beansprucht. Das stellt hohe Anforderungen an das Material der Getriebe. Hohe Verschleiß- und Dauerfestigkeit auf der einen sowie hohe Zähigkeit und Homogenität auf der anderen Seite sind gefordert. Das erforderliche Vormaterial in diesem großen Abmessungsbereich fertigen weltweit nur wenige Stahlkocher.

Weltweit boomt der Markt für Windenergie – und damit steigt auch die Nachfrage nach Edelstahllösungen. Laut dem Bundesverband Wind- Energie verbaut allein die deutsche Windkraftindustrie bei der Produktion neuer Windräder pro Jahr rund eine Million Tonnen Stahl. Das ist dreimal so viel, wie der Schiffbau benötigt. Die verwendeten Werkstoffe müssen enormen Belastungen sowie häufig variierenden Kräften trotzen. Zum Beispiel im Bereich der Windradgetriebe.

Um einen guten Wirkungsgrad bei der Energiegewinnung zu erzielen, wird die vergleichsweise langsame Rotordrehzahl, die im Bereich von sechs bis 20 Umdrehungen pro Minute liegt, in eine Generatordrehzahl zwischen 900 und 2 000 Umdrehungen pro Minute übersetzt. Bezogen auf die gesamte Laufzeit einer modernen Windenergieanlage entspricht dies einer Getriebeleistung von rund 144 Millionen Umdrehungen der Rotorwelle respektive 15 Milliarden Umdrehungen der Generatorwelle.

Voraussetzung für diese Leistung ist eine enorm hohe Verschleiß- und Dauerfestigkeit des Stahls. Eine hohe Zähigkeit ist Voraussetzung, um der schlagartigen Beanspruchung standzuhalten, der das Material bei böigem Wind ausgesetzt ist.

Einsatz von Spezialstählen
„Um diesen hohen Anforderungen gerecht zu werden, kommen in der Windkraftindustrie maßgeschneiderte Edelstähle zum Einsatz“, berichtet Dr. Armin Krabiell, Vertriebsleiter Spezialprodukte bei der Firma Deutsche Edelstahlwerke. Die Entwicklung solcher Edelstahllösungen zählt zu den Kernkompetenzen der Deutschen Edelstahlwerke, eines Unternehmens der Schmolz+Bickenbach-Gruppe. Für einen führenden Anbieter von Antriebssystemen für Windkraftanlagen hat der Stahlproduzent beispielsweise in Kooperation mit den Getriebeherstellern einen speziellen Edelbaustahl entwickelt, der auf die Verarbeitungs- und Gebrauchseigenschaften nach der abschließenden Wärmebehandlung beim Kunden abgestimmt ist.

Um diese einzustellen, durchläuft der Werkstoff aufwendige Produktions- und Weiterverarbeitungsprozesse. Zur Herstellung des Edelstahls werden selektierter Schrott und Schlackenbildner in einen 130-Tonnen-Elektrolichtbogenofen chargiert. Dort werden die Stahl- zutaten mittels elektrischer Energie eingeschmolzen. Bei dem Stahlschrott handelt es sich um hochwertige Sekundärrohstoffe, die sowohl ökonomisch als auch ökologisch entscheidende Vorteile bieten. Hat der flüssige Stahl die Abstichtemperatur erreicht, wird die Schmelze zur Weiterverarbeitung in eine bereitstehende Pfanne entleert und mittels Abschlackmaschine von der mitgelaufenen Ofenschlacke getrennt.

In der Pfanne findet anschließend die sekundärmetallurgische Behandlung des Stahls statt. Hierzu zählen Legierungs- und Temperatureinstellung, Homogenisierung, Desoxidation, Entgasung und Spülbehandlung mittels Argon. Im Anschluss wird der Stahl entsprechend der gewünschten Endabmessung in Kokillen unterschiedlicher Größe vergossen und nach dem Strippen im heißen Zustand als Schmiedeblock zur Schmiede transportiert.

Warmumformung und Wärmebehandlung
Die im Gusszustand vorliegenden Blöcke werden nach Erwärmung auf einer 3 300-Tonnen-Schmiedepresse vorgeschmiedet. Stabstahl im Abmessungsbereich zwischen 320 und 560 Millimetern wird anschließend nach einer Zwischenwärmung mittels Schmiedemaschine umgeformt. Größere Abmessungen werden auf der Schmiedepresse fertiggestellt. Der aufwendige Schmiedeprozess ist notwendig, um dem Gefüge eine höhere Zähigkeit zu verleihen. Das ursprüngliche Gussgefüge könnte der Schlagbeanspruchung nicht standhalten und wie Porzellan brechen.

Durch die Warmumformung, die in definierten Stichfolgen mit einem festgelegten Verformungsgrad und unter definierten Temperaturen erfolgt, verändert sich das Werkstoffgefüge: Die Poren des Gussgefüges verschweißen, die ursprünglichen Kristalle rekristallisieren durch die Kombination von Verformung und Temperatur. Aus den groben Gusskörnern entsteht ein feinkörniges Gefüge, das nach der abschließenden Wärmebehandlung eine sehr hohe Belastbarkeit im Dauerbetrieb und einen sehr hohen Widerstand gegen schlagartige Beanspruchung aufweist.

Nach Abkühlung der geschmiedeten Stäbe erfolgen eine Wärmebehandlung mit gezieltem Erwärmen des Materials auf definierte Temperaturen, die Einstellung einer bestimmten Haltezeit und das Abkühlen des Edelstahls. Dabei erhält der Werkstoff das für die anschließende spanende Bearbeitung optimale Ausgangsgefüge und eine definierte Festigkeit. Nach der Wärmebehandlung wird der Stabstahl gerichtet und geschält oder überdreht, um engere Abmessungstoleranzen einzustellen und eine Oberflächenrissprüfung sowie eine empfindliche Ultraschallprüfung vornehmen zu können.

Diese Prüfungen stellen sicher, dass kein fehlerhaftes Material zur Auslieferung kommt. Parallel werden Proben für Laborprüfungen zur Bestimmung der mechanischen Eigenschaften und des Reinheitsgrades entnommen. Die weitere Anarbeitung der geschmiedeten Stäbe erfolgt mittels Tieflochbohrmaschinen. Dabei handelt es sich um Bohrungen zwischen 50 und 400 Millimetern Durchmesser bei einer maximalen Bauteillänge von 10 Metern.

Die Deutschen Edelstahlwerke liefern die Bauteile entweder als so genannte Hohlwellen oder als passgenaue Lochscheiben, die als Vormaterial für Getriebekomponenten wie zum Beispiel Antriebswellen oder Stirnräder dienen. Der Windradgetriebehersteller stellt anschließend die einbaufertigen Komponenten her. Unter anderem fräst er die Verzahnungen, die anschließend einsatzgehärtet und geschliffen werden. Das so erzielte Gefüge weist eine optimierte Kombination von verschleißbeständiger Oberfläche und zähem Kern auf. Diese Voraussetzungen stellen eine lange Lebensdauer des Getriebes sicher.

Fazit
Um die hohen Anforderungen der Windenergieindustrie zu erfüllen, benötigen die Hersteller von Windrädern sowie deren Zulieferer individuelle Lösungen aus Edelstählen. In aufwendigen Produktions- und Weiterverarbeitungsprozessen entstehen bei den Deutschen Edelstahlwerken Werkstoffe mit genau definierten Eigenschaften, die auch als angearbeitete Rohlinge geliefert werden. „Die Anforderungen der Windenergieindustrie werden in den kommenden Jahren sogar noch wachsen“, so Dr. Armin Krabiell. „Schließlich geht der Trend in Richtung Offshore-Windenergieanlagen. Dort müssen die einzelnen Komponenten über die gesamte Anlagenlebensdauer praktisch wartungsfrei arbeiten. Dies sind hohe Ziele, die unsere Entwicklungskompetenz als Partner dieser Wachstumsbranche schon heute fordern.“

Deutsche Edelstahlwerke GmbH: www.dew-stahl.com