Zuverlässiges Schienennetz

Neues Schweißverfahren im Gleisbau benötigt 40 Prozent weniger Energie

Langlebige und belastbare Gleise sind für ein zuverlässig funktionierendes Schienennetz unerlässlich. Erreicht wird dies auch durch lückenloses Verschweißen. Wie dies ressourcenschonender funktioniert als bisher zeigt das Forschungsprojekt PROENOS.

Um Schienen instand zu halten oder beschädigte Gleisabschnitte direkt vor Ort zu reparieren, hat sich das aluminothermische (AT-) Schweißen weltweit etabliert. Bei dem chemisch-thermischen Gießschmelzverfahren wird ein Gemisch aus Eisenoxid und Aluminium entzündet. Durch die exotherme Reaktion entsteht flüssiges Eisen. Mit der Zugabe von Legierungselementen wird das Eisen zu einem Stahl, der der Schienengüte angepasst ist. Der überhitzte Stahl wird in eine Schweißlücke gegossen, die durch eine Gießform abgedichtet ist. Die Schienenenden werden aufgeschmolzen, durch die Erstarrung stoffschlüssig verbunden und sind damit lückenlos verschweißt. 

Das Verfahren gilt als besonders flexibel, robust und wirtschaftlich. Es kann ohne aufwändige Infrastruktur direkt an der Einsatzstelle und im Gleis durchgeführt werden. Dadurch sind nur kurze Sperrzeiten des Bahnbetriebs erforderlich. 

Von der Vorwärmung bis zur Gefügebildung: Digitaler Zwilling optimiert Prozesse

Allerdings sind die verschiedenen Teilprozesse des AT-Schweißens sehr energie- und ressourcenintensiv. So wird etwa für den mehrminütigen Trocknungs- und Vorwärmprozess Brenngas benötigt. Außerdem kommt Aluminium als Reduktionsmittel zum Einsatz. In dieser Funktion entzieht das Aluminium dem Eisenoxiden Sauerstoff, und oxidiert zu Aluminiumoxid. 

„Im Vorhaben PROENOS haben wir die Technologie des aluminothermischen Schweißens weiter wissenschaftlich durchdrungen und die Zusammenhänge zwischen den einzelnen Schritten umfassender als bisher beschrieben und quantifiziert“, so der Projektleiter Dr.-Ing. Jan Hantusch vom Unternehmen Elektro-Thermit, das weltweiter Anbieter der Thermit-Schweißtechnik ist. Die Erkenntnisse in PROENOS haben dazu beigetragen, Energie und Ressourcen einzusparen ohne die Robustheit und Gleistauglichkeit des AT-Schweißprozesses zu gefährden.

Dabei betrachtete das Wissenschaftsteam insbesondere folgende Teilprozesse: 

• Vorwärmung und Trocknung inklusive Umrüstung
• THERMIT®-Reaktion im Tiegel inklusive Legierung
• Auslauf der Schmelze aus dem Tiegel und Einströmung in das Gießsystem
• Aufschmelzung der Schienenenden, Abkühlung und Erstarrung
• Abkühlung und Gefügebildung sowie Einstellung eines finalen thermomechanischen Spannungszustandes. 

Die Projektpartner haben die Teilprozesse in mathematischen Modellen abgebildet und diese anschließend zu einem Gesamtmodell gekoppelt, das die Wechselwirkungen innerhalb des Verfahrens realitätsnah beschreibt. Der digitale Zwilling des AT-Schweißens ermöglicht es jetzt, unterschiedliche Prozessvarianten schnell und detailliert zu simulieren und ihre Auswirkungen auf die Qualität der Schweißung vorherzusagen. 

40 Prozent weniger Energieverbrauch als bei Standard-Schweißverfahren

Darauf basierend entwickelten die Expertinnen und Experten den Prozess des aluminothermischen Schweißens weiter. Das „Energy Efficient Welding“ (EEW) genannte Verfahren konnte im Laufe des Projekts vom Technology Readiness Level (TRL)  3 auf TRL 5/6 gehoben werden. Im Unterschied zum Energiebedarf der Standardschweißverfahren SkV-Elite L25 und SoW-5 können mit dem neuen Verfahren 40 Prozent Energie eingespart werden. Konkret: Bei der Vorwärmung werden 68 Prozent (im Vergleich zum SoW-5-Verfahren) beziehungsweise 40 Prozent (im Vergleich zum SkV-Elite-Verfahren) weniger Energie benötigt, bei der Thermit®-Portion reduziert sich der Energiebedarf um 20 beziehungsweise 40 Prozent.

Die Einsparungen bei der Vorwärmung des EEW-Verfahrens werden mit der induktiven Vorwärmung erreicht. Sie ermöglicht eine kontinuierliche Energiezufuhr vom Beginn des Prozesses bis zum Eingießen der Thermit®-Portion. Da die Wärme gezielt zu einem bestimmten Zeitpunkt und an einem bestimmten Ort eingebracht werden kann, bietet diese Technologie großes Potenzial für weitere Optimierung. Um den Prozess des induktiven Vorwärmens wirtschaftlicher und baustellentauglicher zu gestalten, besteht noch weiterer Forschungsbedarf.

Materialbedarf reduziert sich um fast ein Drittel

Weitere Einsparungen gibt es bei der Legierungsmenge: „Durch das nachträgliche Legieren in der Gießform wird die Verbrennung des Legierungselementes bei der Thermit®Reaktion verhindert. Die Einsparung wird auch durch gezielte Positionierung der Legierung in der Gießform unterstützt. Somit wird nur in dem Bereich legiert, in dem es notwendig ist. Dadurch kann mit 30 Prozent der ursprünglichen Legierungsmenge die gleiche Wirkung erzielt werden“, so Dr.-Ing. Jan Hantusch.

Das seit Januar 2023 laufende Vorhaben PROENOS endet im September 2026. Beteiligte Projektpartner sind das Unternehmen Elektro-Thermit GmbH & Co. KG, die TU Bergakademie Freiberg und das SZF Stahlzentrum Freiberg e.V. (bs)