Trendreport Maschinen im Bergbau

Doch auch die wollen erst einmal bezahlt werden – ein Teufelskreis. Immerhin, die Hersteller von Bergbauausrüstung haben passende Angebote parat.

Bergbau ist Big Business, aber im Augenblick boomt es nicht. Laut dem Branchenverband VDMA wurden im Jahr 2015 von den deutschen Bergbauherstellern Maschinen und Anlagen für den Miningbereich im Wert von 3,57 Milliarden Euro gebaut. Das entspricht einem Rückgang um 4,5 Prozent im Vergleich zum Vorjahr. Allerdings fiel der Umsatzrückgang gegenüber der Periode von 2013 auf 2014, damals waren es immerhin 29 Prozent weniger, deutlich geringer aus. Die Beschäftigtenzahl sank von 14.300 auf 13.700 Mitarbeiter.

Die Exporte gingen in 2015 gegenüber 2014 um 3,5 Prozent von 1,96 Milliarden Euro auf 1,89 Milliarden Euro zurück. Der größte Anteil im Exportgeschäft war für den Nahen Osten mit 17 Prozent – und davon Saudi-Arabien allein mit fast neun Prozent – zu verzeichnen. Lateinamerika spielte mit insgesamt elf Prozent die zweitwichtigste Rolle im deutschen Exportgeschäft mit Bergbaumaschinen. Dahinter lag China mit achtProzent, USA mit sieben und Russland mit knapp fünf Prozent. Für 2016 wird erwartet, dass die Umsätze erneut im einstelligen Prozentbereich zurückgehen.

Nicht nur im Nahen Osten wird Bergbau neben dem Ölgeschäft als weitere Einnahmequelle gesehen. Neben den bisherigen Großmärkten China, Russland und USA bringen sich südamerikanische und afrikanische Länder vermehrt ins Spiel. In Peru wird schon heute die Wirtschaft durch den Bergbau, in erster Linie durch Kupferförderung, gestützt. Die Produktion des roten Metalls stieg im vergangenen Jahr um insgesamt 26 Prozent. Venezuelas Präsident wies vor kurzem ein rohstoffreiches Gebiet im Bundesstaat Bolívar im Südosten des Landes als strategische Entwicklungszone aus.

Dort gibt es schätzungsweise bis zu 7000 Tonnen Gold, etwa 6800 Kilogramm Diamanten (ein Kilo entspricht 10.000 Karat), rund 3,6 Millionen Tonnen Eisenerz und erhebliche Mengen an Bauxit, Kupfer, Koltan und andere Mineralien. Die soziale Entwicklung und der Umweltschutz solle dabei jedoch eine zentrale Rolle spielen. Argentinien schafft die Ausfuhrsteuer auf Bergbau-Exporte ab, um die Wettbewerbsfähigkeit zu erhöhen und potenzielle Investoren aus anderen südamerikanischen Ländern wie Peru, Chile, Kolumbien und Brasilien anzulocken.

Das Thema Kohleabbau ist besonders aus Umweltschutzgründen umstritten. Die Internationale Energieagentur sieht jedoch bis zum Jahr 2040 noch immer eine Steigerung der aus Kohle erzeugten Energie um über 30 Prozent weltweit voraus. Südostasien wird mit einem zu erwartenden Jahreswachstum von 4,8 Prozent einen der größten Anteile daran haben.

Effizienzsteigerung durch Design

Bei der Marktlage der vergangenen Jahre ist der Konkurrenzdruck hoch. In Zeiten sinkender Nachfrage, hoher Angebotsbestände und lauten Forderungen nach nachhaltigem Abbau gilt es, Rohstoffe so effizient wie möglich zu gewinnen. Die Firma Eickhoff hat sich dies verstärkt im Kohleabbau bei den in Bergwerken eingesetzten Walzenladern zum Ziel gesetzt. Die Maschinenreihe beginnt bei dem kleinen SL300, der eine kontinuierliche Förderleistung von 600.000 Tonnen monatlich dank 2x480 Kilowatt starken Schneidmotoren und 2x90 Kilowatt Windenantrieb aufweist. Versorgt mit 2015 Kilowatt schaufelt der nächst größere SL 500 in einem Schneidbereich von 2,5 – 6,0 Meter und 23 – 32 U/min Schneidwalzen-Drehzahl eine Million Tonnen bei einer Windengeschwindigkeit von bis zu 37 Meter pro Minute.

Der leistungsstärkste Walzenlader der Welt SL1000 liefert 2800 kW für einen Schneidbereich von bis zu 8,6 Metern bei Schneidwalzen Drehzahlen von 29 – 41 U/min und Windengeschwindigkeit von maximal 41 m/min. Die für die eigenen Maschinen eingesetzten, elektromechanischen Planetengetriebe werden für Kunden in acht verschiedenen Bauarten und insgesamt 19 verschiedenen Baugrößen mit jeweils Stirn-, Kegel- oder Schneckenradvorstufen angeboten. Bei zwei bis fünf Stufen können Nenndrehmomente von 220,5 bis 7280 kNm abgedeckt werden.

Das Hydrauliksystem der Walzenlader ist als Konstantvolumenstromsystem mit Innenzahnradpumpen (Konstantpumpen) ausgeführt und arbeitet mit Betriebsdrücken zwischen 260 und 280 bar. Als Wegeventile kommen schlagwettergeschützte elektrohydraulische proportional/On-Off-Ventile zum Einsatz. Im Hydraulikkreislauf befinden sich mehrere Filterstufen mit Grob- und Feinfiltern.

Je nach Anwendung werden Hydraulikzylinder in den unterschiedlichsten Baugrößen eingesetzt. Vereinzelt kommen für Peripherieanwendungen Hydraulikmotoren, auch Orbitalmotoren genannt, zum Einsatz. Die Übertragung der hydraulischen Energie erfolgt hauptsächlich über Schlauchleitungen mit Bergbauzulassung. Dabei kommen meist konventionelle Mineralöle wie HLP 100 als Hydraulikmedium zum Einsatz. Im Atex-Raum wird schwerentflammbares HFC-E auf Wasser-Glykol-Basis mit etwa 20 Prozent Wasseranteil und einer Viskosität von 68 cst angewendet.

Die Walzenladergeschwindigkeit wird in Abhängigkeit der Schneidmotorbelastung automatisch gesteuert. Um die Fahrt und Schnitthöhe der Walzenlader bestmöglich auf die unterschiedlichen Konturen des Strebs auszurichten, können die Schnittmuster und -zyklen mit dem Automatisierungsprogramm EiControlSB eingestellt werden. Erforderlich hierfür ist jedoch eine stabile Funkverbindung, damit die an den Geräten erfassten Sensorwerte unterbrechungsfrei an die Leitstelle übermittelt werden.

Neben der Auslegung der Vorschubgeschwindigkeit eines Walzenladers sind auch die Bewegungen der Deckenschilder und die dadurch bedingten Auswirkungen auf das Hydrauliksystem zu berücksichtigen. Im Normalfall folgt der Schildausbau dem Walzenlader sequenziell, wobei die hydraulischen Einzelfunktionen wie Senk-, Abstütz- und Vorwärtsbewegung über die schildeigene PLC angesteuert werden. Je nach Walzenlader oder Strebbeschaffenheit kann jedoch ein gleichzeitiges Nachrücken mehrerer Schilde erforderlich sein.

Ein im Normalfall auf 350 Bar ausgelegtes Hydrauliksystem des gesamten Strebs muss dies ohne beeinträchtigende Druckabfälle stemmen können. Sonst wird das System abgeschaltet und der Abbau-Prozess unterbrochen, was zu sicherheitskritischen Situationen führen kann. Caterpillar hat dazu zwischen 2011 und 2015 eigens eine Simulation entwickelt, mit der in Abhängigkeit von Zykluszeiten, in denen ein Schild sich senkt, vorwärts bewegt und den nächsten Deckenabschnitt abstützt, die Auswirkungen auf das gesamte Strebsystem berechnet werden können. So wird eine effiziente Auslegung des Hydrauliksystems samt Leitungen und Pumpen bei einer maximalen Anzahl von 300 Schilden ermöglicht. Bei der Simulation der Bewegungen wurde eine Toleranz von +/-10 Prozent gegenüber der tatsächlichen Ausführung berücksichtigt.

Um die Simulationsgeschwindigkeit mit einem vereinfachten Modell zu erhöhen, wurde nach Labortests die Annahme getroffen, dass mit Ausnahme des Übergangszustands beim Öffnen und Schließen der Ventile die Fließgeschwindigkeiten der Hydraulikflüssigkeit turbulent sind. Übergangszustände wurden als vernachlässigbar eingestuft. Der Durchflusskoeffizient wurde damit für alle Komponenten, die in Reihe geschaltet waren, für eine Dauerzustandsphase gleichgesetzt. Der Reibungsfaktor in den Hydraulikleitungen ging mit dem höchsten Wert als Konstante in die Berechnung ein.

Im Gegensatz zu bisherigen Systemauslegungen, bei denen die Pumpkapazitäten über Berechnung von Druckabfällen bestimmt wurden, kann über das neue Simulationsmodell das Verhalten des kompletten Strebsystems über die gesamte Schnittfläche unter verschiedenen Zuständen berechnet werden. Dadurch kann nicht nur das Pumpsystem samt Rohren und Schläuchen der Strebe, sondern auch die Hydraulik der einzelnen Schilde optimiert werden.

Wartungsintervalle optimiert

Wirtschaftlicher Abbau von Gestein über Tage kann mit Geräten wie dem Surface Miner 4200 SM von Wirtgen erfolgen. Zur schnellen und exakten Positionierung lassen sich alle vier Kettenantriebe unabhängig voneinander hydraulisch lenken. Die Anpassung der Kettenlaufwerke an die Höhe der zu bearbeitenden Fläche wird über zusätzliche Hydraulikzylinder gesteuert. Die Fahrgeschwindigkeit ist stufenlos verstellbar.

Gesteinsmengen von etwa 3000 Tonnen pro Tag, bei Weichgestein mit einer einaxialen Druckfestigkeit von bis zu 50 MPa und bei Hartgestein bis zu 80 MPa, werden von der im Gegenlauf arbeitenden Meißelschneidwalze über den Primärförderer zum Ladeband transportiert. Der Abwurf wird über einen 180° Schwenkwinkel, hydraulische Höhenverstellung und stufenlos einstellbare Bandgeschwindigkeit auf begleitende Transportfahrzeuge angepasst. Das 16 Meter lange Ladeband ermöglicht damit eine von 120 auf 135 Tonnen gestiegene Belademenge, die im Hinblick auf eine gestiegene Schneidtiefe von 60 Zentimeter sehr relevant ist.

Bei einer Abbauleistung von bis zu 12 Millionen Tonnen Gestein spielt die Verfügbarkeit des Miners eine wichtige Rolle. Das Wartungsintervall für Betriebsstoffe konnte durch optimierte Komponenten und einer 800 Liter fassenden Ölwanne sowie vergrößerten Kraftstoff- und Wassertanks von 250 auf 500 Stunden verdoppelt werden. Die Hydraulik des Abwurfbandes ist derart konzipiert, dass das Band in Senkrechtstellung gebracht werden kann.

Damit lässt sich der Primärförderer zur Montage vollständig in die Waagrechte absenken. Schwingungen des mechanischen Schneidwalzenantriebs werden über eine verschleißfreie Flüssigkeitskupplung gedämpft. Bei der Konstruktion des Miners wurde besonders auf hohe Bewegungsfreiheit im Innenraum geachtet, um dem Servicepersonal eine schnelle Wartung des Motors zu ermöglichen.

Drei Fragen an Klaus Stöckmann, stellvertretender Geschäftsführer, Wirtschaft und Statistiken, Messen, Märkte Asien und Australien des Fachbereichs Mining des VDMA

Wo sehen Sie die Innovationsschwerpunkte im Bergbau?

Die Kunden des VDMA suchen Unterstützung, um die Gewinnungsoperationen kostengünstiger zu gestalten. Einerseits bedarf es dazu einer detaillierteren Bestimmung der Zusammensetzung von Stoffströmen, um deren Aufbereitung effizienter durchzuführen. Daraus resultieren ein geringerer Stromverbrauch und weniger Leerfahrten. Andererseits und insbesondere im Untertagebau erfordert dies jedoch den Einsatz von stabilen Funknetzen, um die Signalverarbeitungsprozesse zu gewährleisten. Automatisierung mit verlässlicher Datenübertragung ist der Weg hin zu Bergbau 4.0! Die organisationsübergreifende Arbeitsgruppe JWG „Autonomous Machine System Safety“ will Sicherheitsanforderungen sowie Guidelines erarbeiten, die den sicheren Betrieb von autonomen Maschinen, auch im Bergbau, zu ermöglichen. Im ISO/TC 82 steht aktuell zur Diskussion, ob sich ein Unterausschuss mit dem Thema „Automation und Autonome Systeme“ beschäftigen wird.

Wie sehen Sie die Märkte der Zukunft?

In den vergangenen fünf bis sechs Jahren haben sich Länder wie Peru, Ecuador, Chile und Brasilien gut entwickelt, während die Bedarfe in USA, China und Russland rückläufig waren. In vielen Bereichen Südamerikas ist die allgemeine Wirtschaftslage eher schlecht, sodass der Bergbau einen guten Beitrag leisten kann. Afrika weist ein gutes Potenzial auf, allerdings haben wir es hier mit 54 Einzelmärkten zu tun, die alle unterschiedliche Rahmenbedingungen aufweisen: nicht nur wirtschaftlich, sondern auch politisch. Da ist es für Mittelständler schwierig, sich auf dem Markt zu positionieren. Indien verfügt ebenso über ein riesiges Potenzial, das aber in den letzten Jahren nicht erfolgreich realisiert werden konnte.

Ihr Ausblick auf 2016?

In den letzten zwei bis drei Jahren wurde insgesamt wenig investiert. Das weltweite Angebot – insbesondere bei Kohle– überstieg in den letzten Jahren die Nachfrage deutlich. Chinas geschwächte Konjunktur, der Rückgang der Stahlproduktion und Überkapazitäten oder etwa die starke Förderung von Schellgas in den USA haben starke Auswirkungen auf den gesamten Markt gehabt. Die Branche erwartet dieses Jahr einen Aufbruch. Mit der Bauma in München im April und der Minexpo in Las Vegas, USA im September finden die weltweit größten Messen statt, auf der sich die Käufer zu den neuesten Lösungen informieren und ihre Einkaufsgespräche führen können.

Mehr Leistung in der Hydraulik

Im Tagebau werden bei Maschinen zur Effizienzsteigerung nicht nur größere Geräte eingesetzt, sondern deren Komponenten auch hinsichtlich hydraulischer Leistung optimiert. Liebherr zeigte auf der Bauma mit dem R9200 den größten Bagger in der 200 Tonnen Klasse, der sowohl mit Tieflöffel- als auch Klappschaufelausrüstung erhältlich ist und bei Losbrechkräften von 750 kN ein Grabvolumen von 12,5 Kubikmeter bietet. Die Hydraulikpumpe des Antriebs umfasst vier Axialkolbenpumpen mit einer Hubleistung von je 512 l/min und arbeitet im Fahrantrieb mit 350 bar.

Das Schwenkwerk kann dank des geschlossenen Regelkreises einer umkehrbaren Schrägscheibenpumpe mit 640 l/min Leistung bei 350 bar maximale Schwenkgeschwindigkeiten von 5,00 min¯¹ erzielen. Die Leistung des R9200 wird mit dem Litronic-Plus-System überwacht, um die Verteilung der elektrischen, mechanischen und hydraulischen Leistung zu optimieren. Durch eine bedarfsorientierte Kühlungssteuerung für Wasser und Öl, bei der unabhängige Kühlkreisläufe einen Energieverlust verhindern und die Komponenten in der bestmöglicher Betriebstemperatur arbeiten lassen, werden weitere Effizienzsteigerungen erreicht.

Komatsus neuester Schaufelbagger PC700 liefert ein Schaufelvolumen von 36 Kubikmeter und wird über zwei Getriebe angetrieben. Jedes Getriebe steuert drei baugleiche Hydraulikpumpen, die über einen drucklosen Tank mit Öl versorgt werden. Dieses wird über offene Kreisläufe gekühlt und gefiltert. Der gesamte Pumpenantrieb liefert bei maximalem Druck von 310 bar eine Gesamtleistung von 6210 l/min.

Die schwenkbare Kühlvorrichtung des Systems beinhaltet temperaturabhängig gesteuerte, hydraulisch angetriebene Ventilatoren. Die Steuerung einzelner oder parallel arbeitender Hydroverbraucher von Baggern kann über Komponenten wie Proportional-Wegeschieber von Hawe erfolgen. Über diese Wegeventile werden Bewegungsrichtung und Geschwindigkeit innerhalb der Pumpensysteme lastunabhängig und stufenlos geregelt. Volumenströme und Lastdrücke können pro Verbraucher definiert werden. Die Wegeschieber können bei einem Betriebsdruck von 420 bar je nach Ausführung bei konstanten oder auch Regel-Pumpsystemen mit Volumenströmen zwischen 100 und etwa 350 l/min insgesamt und je Verbraucher zwischen 60 und 270 l/min arbeiten.

Zur Verteilung der Hydraulikflüssigkeit im Dauerbetrieb können bei Axialkolben-Verstellpumpen, die nach dem Schrägscheibenprinzip entworfen wurden, das Fördervolumen stufenlos eingestellt und der Volumenstrom optimal an den Verbraucher angepasst werden. Maximal wird ein Volumen von 98-270 cm3 pro Umdrehung verdrängt. Als allein arbeitende Pumpe ist dieser Typ besonders für offene Kreisläufe geeignet. Im Zusammenspiel von in Reihe geschalteten Hydraulikaggregaten wird eine Pumpe mit Wellendurchtrieb eingesetzt.

Automatisierung durch Vernetzung

Die Informationstechnologie wird zum besten Kumpel, zumindest in Australien. Dort hat BHP Billiton das Bergwerk Pilbara automatisiert. Der Abbau des Eisenerzes wird nicht vor Ort, sondern aus einem Kontrollzentrum über 1500 Kilometer entfernt gesteuert, um Produktivität und Sicherheit zu erhöhen. Über Grafiken und Zahlen auf mehreren Bildschirmen wird unter anderem die prozentuale Füllmenge des Laderaums angezeigt, wenn Güterwägen aus den Eisenerz-Minen mehrere Hundert Kilometer den im Hafen liegenden Frachter erreichen und dort ihren Inhalt abliefern.

In der Steuerungszentrale werden nicht nur der Transport, sondern auch einzelne Vorgänge wie Baggerarbeiten oder Bewässerung zur Staubbekämpfung im Bergwerk gesteuert. Australiens Bergbauindustrie ist mit gut 2,5 Milliarden Euro für Forschung und Entwicklung bei Innovationen vorne dabei. BHP Rivale Rio Tinto steuert inzwischen seine Lastwagen in zwei Eisenerzminen ohne Fahrer fern. Diese Produktivitätssteigerung schlägt positiv bei den Gewinnungskosten zu Buche. wk