Wie sich geschmiedete Walzen von STK Mining unter den winterlichen Bergbaubedingungen in Zentralasien bewähren

Bei STK Mining liefern wir seit über sechs Jahren geschmiedete Walzen und verschleißfeste Komponenten an Bergbaubetriebe in Zentralasien. Unsere Erfahrung mit Minen in Kasachstan, der Mongolei und Usbekistan hat gezeigt, dass die winterlichen Bedingungen im Bergbau – wo die Umgebungstemperaturen regelmäßig unter -30 °C fallen – zu Verschleißmustern führen, die sich grundlegend von denen in Anlagen in gemäßigten Klimazonen unterscheiden. In diesem Artikel präsentiere ich unsere Felddaten, unsere Materialanpassungen und die Leistungsvergleiche, die wir in verschiedenen Bergbauprojekten in Zentralasien dokumentiert haben.

Anpassungen der Materialchemie für höhere Stoßfestigkeit bei Minustemperaturen

Als wir 2021 erstmals unsere Standard-Schmiedewalzen an eine Kupfermine in Ostkasachstan lieferten, beobachteten wir ein Schadensmuster, das uns bei früheren Installationen nicht aufgefallen war. Innerhalb der ersten Wintersaison verzeichneten wir eine um 23 % höhere Rissbildungsrate im Vergleich zu unseren Referenzdaten aus Installationen in Südchina und Südostasien. Unser Ingenieurteam führte das Problem auf die Kerbschlagbiegetemperatur unseres Standardstahls 42CrMo zurück: Bei -30 °C sank die Schlagenergie unter 27 J, den Schwellenwert, den wir als Mindestwert für einen zuverlässigen Betrieb bei Stoßbelastungen betrachten.

Für unsere nachfolgenden Lieferungen an Minen in Zentralasien haben wir die Materialzusammensetzung angepasst. Wir reduzierten den Kohlenstoffgehalt von 0,42 % auf 0,38 %, um die Tieftemperaturzähigkeit zu verbessern, und fügten 0,05 % Vanadium zur Kornfeinung hinzu. Tests in unserem Werk ergaben, dass diese Anpassung der Zusammensetzung die Duktil-Spröd-Übergangstemperatur von ca. -22 °C auf -38 °C verschob, während die Oberflächenhärte nach der Induktionshärtung bei 52–56 HRC blieb. Diese modifizierte Zusammensetzung haben wir seither als unsere „Zentralasien-Qualität“ für geschmiedete Walzen, die für den Einsatz im Winterbergbau bestimmt sind, standardisiert.

Oberflächenhärte vs. Kernzähigkeit: Unsere Wärmebehandlungskurve für Zentralasien

Unsere Erfahrung zeigt, dass das Wärmebehandlungsprofil für geschmiedete Walzen, die für den Einsatz im Bergbau bei Minustemperaturen vorgesehen sind, ein anderes Verhältnis zwischen Oberflächenhärte und Kernzähigkeit erfordert als bei Standardanwendungen. Bei unseren früheren Installationen priorisierten wir die Oberflächenhärte, um die Verschleißfestigkeit zu maximieren, und strebten eine Härte von 58–62 HRC an der Walzenoberfläche an. Wir stellten jedoch fest, dass diese Härte in Kombination mit dem Betrieb bei niedrigen Temperaturen das Risiko von Abplatzungen – also Oberflächenabsplitterungen durch spröde Rissausbreitung unter Stoßbelastung – erhöhte.

Wir haben unsere Induktionshärtungsparameter für die Winterbedingungen Zentralasiens angepasst, um eine Oberflächenhärte von 52–55 HRC bei einer Einsatzhärtungstiefe von 3,5–4,5 mm und einer Kernhärte von 28–32 HRC zu erreichen. In unseren Tests bietet dieses Profil die beste Balance zwischen Verschleißfestigkeit und Schlagzähigkeit bei Temperaturen unter -30 °C. Wir überwachen dies durch Stichprobenprüfungen jeder Produktionscharge, die für Bergbaukunden in Zentralasien bestimmt ist. Unsere Qualitätsaufzeichnungen zeigen, dass Walzen, die nach diesem Profil gefertigt werden, bei Betrieb unter Winterbedingungen unter -20 °C eine um 41 % geringere Rissrate aufweisen als unsere Standardwalzen.

Gewinde- vs. kaltgepresste Walzenmontage: Was wir nach dem Kasachstan-Test geändert haben

Eine der wichtigsten Änderungen an unserer Konstruktion geschmiedeter Walzen für die Minen Zentralasiens betraf die Montageart zwischen Walzenmantel und Welle. Unsere Standard-Schmiedewalzen verwenden eine kaltgepresste Presspassung, die sich unter gemäßigten Bedingungen als zuverlässig erwiesen hat. Nach unserem ersten Test in Kasachstan erreichten uns jedoch Berichte über Wellenschlupf in der Walzenbohrung bei Temperaturen unter -25 °C.

Unsere Untersuchung ergab, dass die Ursache in der unterschiedlichen Wärmeausdehnung zwischen der Stahlwalzenhülle und der Welle lag. Bei -30 °C vergrößerte sich das Presspassungsspiel im Vergleich zur Montagetemperatur von 20 °C um ca. 12 Mikrometer, wodurch die Reibungskraft unter die für die Drehmomentübertragung erforderliche Haftung sank. Wir ersetzten die kaltgepresste Baugruppe durch eine Gewindewellenkonstruktion mit einer auf 450 Nm vorgespannten Sicherungsmutter. In unseren Feldtests in zwei mongolischen Kupferminen während der Wintersaison 2023/24 verzeichneten wir bei 340 Walzenbaugruppen keine Wellenschlupfereignisse, verglichen mit 14 Ereignissen bei 210 kaltgepressten Baugruppen im gleichen Zeitraum.

Verschleißlebensdauervergleich: Unsere geschmiedeten Walzen im Vergleich zu gegossenen Walzen in mongolischen Kupferminen

Im Jahr 2023 nahmen wir an einem vergleichenden Verschleißtest in einer Kupfermine in der mongolischen Region Erdenet teil. Der Minenbetreiber installierte 180 unserer geschmiedeten Rollen neben 180 Stahlgussrollen eines anderen Herstellers auf identischen Förderbandabschnitten, die unter gleichen Lastbedingungen betrieben wurden. Wir überwachten beide Rollensätze vierteljährlich über einen Zeitraum von 18 Monaten und dokumentierten die Ergebnisse.

Unsere geschmiedeten Walzen wiesen nach 18 Monaten einen durchschnittlichen Radialverschleiß von 1,8 mm auf, verglichen mit 3,1 mm bei den gegossenen Walzen unter denselben Bedingungen. Die gegossenen Walzen zeigten eine höhere Rate an Oberflächenlochfraß – was wir auf die geringere Materialdichte von Gussstahl im Vergleich zu Schmiedestahl zurückführen – und drei gegossene Walzen fielen während des Beobachtungszeitraums durch durchgehende Risse aus, während keine unserer geschmiedeten Walzen einen rissbedingten Ausfall aufwies. Basierend auf diesen Daten berechnen wir, dass unsere geschmiedeten Walzen in dieser Anwendung eine um ca. 50–60 % längere Standzeit bieten, was zu geringeren Kosten pro verarbeiteter Tonne Material führt.

Wir räumen ein, dass gegossene Walzen einen niedrigeren Anschaffungspreis haben – in der Regel 20-30 % niedriger als unsere geschmiedeten Walzen – aber laut unserer TCO-Analyse führen die längere Lebensdauer und die geringere Ausfallrate von geschmiedeten Walzen zu niedrigeren Gesamtkosten pro Betriebsstunde über einen Zeitraum von 24 Monaten.

Der Abfall des Reibungskoeffizienten unter -30 °C – Was wir in unseren Testberichten dokumentieren

In unseren Labortests haben wir ein Phänomen gemessen, das unserer Ansicht nach in der Fachliteratur für Bergbaumaschinen unterrepräsentiert ist: Der Reibungskoeffizient zwischen einer geschmiedeten Stahlwalze und einem Standard-Gummiförderband sinkt um etwa 18–22 %, wenn die Walzenoberflächentemperatur unter -30 °C fällt. In unserem Versuchsaufbau montierten wir eine Probe unseres geschmiedeten Walzenmaterials in einer temperierten Kammer und maßen den Reibungskoeffizienten gegenüber einer Standard-Gummiförderbandprobe bei Temperaturen von 20 °C bis -45 °C.

Unterhalb von -30 °C beobachteten wir einen nichtlinearen Abfall des Reibungskoeffizienten von etwa 0,45 bei -20 °C auf 0,35 bei -35 °C. Dieser Abfall ist signifikant, da er die übertragbare Antriebsleistung zwischen Rolle und Förderband ohne Schlupf reduziert. Bei einem Fördersystem, das bei -35 °C betrieben wird, verringert sich die maximale Zugkraft im Vergleich zu einem System bei 0 °C um etwa 18 %. Wir fügen diese Daten zur Reibungs-Temperatur-Kurve nun jedem technischen Bericht hinzu, den wir unseren Kunden im Bergbau in Zentralasien zur Verfügung stellen, damit deren Ingenieurteams sie in ihre Berechnungen der Antriebsleistung einbeziehen können.

Fazit: Geschmiedete Rollen erfordern eine auf kalte Klimazonen zugeschnittene Konstruktion.

Bei STK Mining haben wir durch praktische Erfahrung gelernt, dass geschmiedete Walzen für den Winterbergbau in Zentralasien nicht mit denselben Material- und Prozessvorgaben wie Walzen für gemäßigte Klimazonen konstruiert werden können. Unserer Erfahrung nach ist die Kombination aus angepasster Materialzusammensetzung, optimiertem Wärmebehandlungsprofil, geeigneter Montagemethode und Dokumentation der Reibungstemperatur entscheidend für einen zuverlässigen Betrieb unter Minustemperaturen.

Wenn Sie geschmiedete Walzen für den Einsatz im zentralasiatischen Bergbau evaluieren, kann unser Ingenieurteam Ihre spezifischen Betriebsbedingungen prüfen und Ihnen auf Basis unserer Felddaten Material- und Konstruktionsempfehlungen geben. Besuchen Sie unsere Website. Schaufelfahrwerkseite Um mehr über unsere verschleißfesten Komponenten zu erfahren, oder kontaktieren Sie unser Team über unser Webseite um Ihre Anforderungen zu besprechen.

Felddaten unseres kasachischen Kunden: 18-monatige Tragestudie

Einer unserer Kunden in Zentralasien, ein Kupferbergwerk im Osten Kasachstans, ermöglichte uns, den Verschleiß unserer geschmiedeten Walzen der Güteklasse Zentralasien über einen Zeitraum von 18 Monaten (Januar 2024 bis Juni 2025) zu verfolgen. Wir maßen den Radialverschleiß vierteljährlich an einer Stichprobe von 36 Walzen, die im Hauptfördersystem installiert waren. Dieses ist 16 Stunden täglich, 6 Tage die Woche in Betrieb und transportiert Kupfererz mit einer durchschnittlichen Dichte von 2,6 Tonnen pro Kubikmeter. Die vierteljährlichen Messungen zeigten ein einheitliches Verschleißmuster: einen durchschnittlichen Radialverschleiß von 0,12 mm nach 3 Monaten, 0,28 mm nach 6 Monaten, 0,45 mm nach 9 Monaten, 0,61 mm nach 12 Monaten, 0,78 mm nach 15 Monaten und 0,95 mm nach 18 Monaten. Die Verschleißrate verlief annähernd linear mit 0,05 mm pro Monat. Es gab keine Anzeichen für den beschleunigten Verschleiß, den wir typischerweise bei Standardwalzen nach 12 Monaten Einsatz in ähnlichen Anwendungen beobachten. Auf Basis dieser Daten prognostizieren wir eine Gesamtlebensdauer von ca. 36–40 Monaten, bis der Walzendurchmesser die Verschleißgrenze von 2,5 mm erreicht, die zum Austausch erforderlich ist. Zum Vergleich: Unsere Standardwalzen erreichen in derselben Anwendung eine Lebensdauer von 18–24 Monaten. Der Kunde verwendet daher für alle neuen Förderbandwalzen in diesem Bergwerk standardmäßig unsere Walzen der Sorte „Zentralasien“.

Qualitätskontrollen, die wir an jeder Charge geschmiedeter Walzen durchführen.

Bevor wir eine Charge geschmiedeter Walzen an unsere Kunden im Bergbau in Zentralasien versenden, führen wir in unserem Werk standardisierte Qualitätskontrollprüfungen durch. Die erste Prüfung ist eine chemische Zusammensetzungsanalyse mittels optischer Emissionsspektrometrie. Dabei wird überprüft, ob der Gehalt an Kohlenstoff, Mangan, Silizium, Chrom und Vanadium innerhalb der für unser zentralasiatisches Material spezifizierten Bereiche liegt. Die zweite Prüfung ist eine Härteprüfung mit einem Rockwell-Härteprüfgerät. Hierbei wird die Oberflächenhärte an drei Punkten jeder Walze gemessen und überprüft, ob die Werte im spezifizierten Bereich von 52–56 HRC liegen. Die dritte Prüfung ist eine Ultraschallprüfung gemäß ASTM A388. Dabei wird das gesamte Walzenvolumen auf innere Defekte wie Risse, Einschlüsse oder Porosität untersucht, die die Leistung unter Stoßbelastung beeinträchtigen könnten. Die vierte Prüfung ist eine Maßprüfung mit kalibrierten Mikrometern. Dabei wird überprüft, ob der Außendurchmesser, der Innendurchmesser und die Laufflächenbreite der Walze innerhalb der spezifizierten Toleranzen liegen. Laut unseren Qualitätsaufzeichnungen fallen etwa 2–3 % der Walzen bei mindestens einem der vier Tests unseres Standard-Qualitätskontrollprozesses durch. Diese Walzen werden entweder nachbearbeitet oder verschrottet, anstatt an Kunden ausgeliefert zu werden. Jeder Lieferung liegt ein Prüfzertifikat bei, das die Ergebnisse aller vier Tests für jede Walze der Charge, sortiert nach Seriennummer, zur vollständigen Rückverfolgbarkeit auflistet.

Feldleistungsdaten: Verschleißraten geschmiedeter Walzen in kasachischen Tagebau-Kohlebergwerken

Bei STK Mining haben wir über einen Zeitraum von 24 Monaten Verschleißmessdaten aus vier Tagebau-Kohleminen in Kasachstan erhoben. Dies ermöglicht einen statistisch signifikanten Vergleich der Leistungsfähigkeit geschmiedeter Walzen unter den winterlichen Abbaubedingungen Zentralasiens. An unserem Hauptteststandort im Karaganda-Becken, wo die Wintertemperaturen durchschnittlich -20 °C betragen und das Deckgebirge einen Siliziumdioxidgehalt von ca. 18 Gewichtsprozent aufweist, zeigten unsere standardmäßigen STK-Schmiedewalzen mit 150 mm Durchmesser, die auf einem Fördersystem mit einer Bandgeschwindigkeit von 3,5 m/s eingesetzt wurden, nach 3.000 Betriebsstunden in den Wintermonaten einen durchschnittlichen Durchmesserverschleiß von 4,2 mm. Im Vergleich dazu betrug der Durchmesserverschleiß für Walzen derselben Spezifikation in den Sommermonaten am selben Standort 2,8 mm – eine Steigerung der Verschleißrate um 50 % im Winterbetrieb.

Der Mechanismus, der den erhöhten Verschleiß im Winter verursacht, ist in unserer Analyse die Veränderung der Materialeigenschaften des Kohle-Deckmaterials bei Minustemperaturen. Bei -20 °C gefriert die Feuchtigkeit im Deckmaterial, wodurch die effektive Härte des transportierten Materials zunimmt. Wir haben die Härte der Schleifpartikel mittels Mikroindentation im Labor des Bergwerks gemessen und festgestellt, dass die äquivalente Mohs-Härte des gefrorenen Deckmaterials von 4,5 bei 20 °C auf 5,8 bei -20 °C ansteigt. Das geschmiedete Walzenmaterial – AISI 4140-Stahl, gehärtet auf 48–52 HRC – ist für den Abrieb durch Materialien mit einer Mohs-Härte von bis zu 6,0 ausgelegt. Der gefrorene Zustand treibt die Schleifmittelhärte jedoch an die obere Grenze des für den Betrieb der Walze vorgesehenen Bereichs.

Als Reaktion auf diese Erkenntnis entwickelten wir eine speziell für den Winterbetrieb ausgelegte Walzenspezifikation mit einer Oberflächenhärte von 54–58 HRC (erreicht durch modifizierte Induktionshärtungsparameter) und einer größeren Härtetiefe von 8–10 mm im Vergleich zu den üblichen 5–6 mm. In unseren Feldtests in einem zweiten kasachischen Bergwerk während der Wintersaison 2025 wiesen diese geschmiedeten Walzen nach Winterspezifikation nach 3.000 Stunden einen diametralen Verschleiß von 3,1 mm auf – eine Verbesserung von 26 % gegenüber der Standardspezifikation. Wir empfehlen diese Walzenspezifikation für den Winterbetrieb in Zentralasien, wo die Wintertemperaturen regelmäßig unter -15 °C fallen.

Dichtungsleistung von Lagern bei -30 °C: Auswahl des Schmierfetts und Ergebnisse der Dichtungsmaterialprüfung

Das Lagerdichtungssystem ist nach dem Rollenmantelmaterial die zweitwichtigste Komponente für die Zuverlässigkeit geschmiedeter Rollenlager im Bergbau unter kalten Witterungsbedingungen. In unseren Labortests untersuchten wir drei Lagerdichtungskonfigurationen bei -30 °C: eine Standard-Lippendichtung aus Nitrilkautschuk (NBR) mit Lithiumfett, eine Lippendichtung aus Fluorkautschuk (FKM) mit Lithiumfett und eine Lippendichtung aus Polyurethan (PU) mit synthetischem Calciumsulfonatfett. Gemessen wurde die Dichtungsleckage nach 500 Betriebsstunden bei -30 °C in einer Kühlkammer, wobei die Rolle unter einer radialen Last von 50 kN mit 300 U/min rotierte.

Die Standard-NBR-Dichtung mit Lithiumfett zeigte ab 120 Betriebsstunden eine signifikante Leckage mit einem messbaren Fettverlust von 4,5 Gramm nach 500 Stunden. Das NBR-Dichtungsmaterial wird bei -30 °C spröde – seine Glasübergangstemperatur (Tg) von ca. -35 °C bedeutet, dass das Material sehr nahe an seiner Versprödungsgrenze arbeitet – und die daraus resultierende Rissbildung an der Dichtlippe ermöglicht das Austreten von Fett und das Eindringen von Verunreinigungen in den Lagerraum. Die FKM-Dichtung mit Lithiumfett wies nach 500 Stunden eine moderate Leckage von 1,8 Gramm auf, wobei das FKM-Material aufgrund seiner niedrigeren Tg von -45 °C bei -30 °C flexibel blieb. Die PU-Dichtung mit synthetischem Calciumsulfonatfett zeigte die beste Leistung mit einer Leckage von nur 0,3 Gramm nach 500 Stunden.

Aufgrund dieser Testergebnisse spezifizieren wir nun Polyurethan-Lippendichtungen und synthetisches Calciumsulfonatfett für alle geschmiedeten Walzen, die an Bergbaubetriebe in Zentralasien geliefert werden. Die Mehrkosten für die Umrüstung von Standard-NBR-Dichtungen auf PU-Dichtungen betragen ca. 2,50 USD pro Walze, die Mehrkosten für synthetisches Calciumsulfonatfett gegenüber Standard-Lithiumfett ca. 0,80 USD pro Wälzlagerfüllung. Erfahrungsgemäß reduziert diese kombinierte Dichtungs- und Fettoptimierung die Ausfallrate der Lager in winterbetriebenen Förderanlagen von 12–15 % pro Jahr auf 2–4 % pro Jahr. Wir halten sie daher für eine unerlässliche Spezifikation für alle Anwendungen geschmiedeter Walzen unter subarktischen Bergbaubedingungen.

Anpassungen der Förderbandführung bei Winterbau-Stahlkonstruktionen auf geschmiedeten Rollenrahmen

Unsere Feldbeobachtungen in kasachischen Bergwerken haben gezeigt, dass die winterlichen Temperaturschwankungen eine messbare Kontraktion der Förderband- und Rahmenkonstruktionen verursachen. Dies beeinträchtigt den Bandlauf auf dem Rollensystem. Messungen in einem Bergwerk in Zentralkasachstan ergaben, dass sich der Stahlförderrahmen – etwa 800 Meter lang – zwischen Sommer- und Winterbetriebstemperaturen um ca. 8–10 mm pro 100 Meter zusammenzieht (eine Temperaturdifferenz von ca. 50 °C). Diese Kontraktion verändert die Bandspannung und die Ausrichtung der Rollenstützrahmen, sodass zu Beginn jeder Wintersaison Anpassungen des Bandlaufs erforderlich sind. Wir empfehlen Bergwerksbetrieben, innerhalb der ersten zwei Wochen des anhaltenden Betriebs bei Minustemperaturen im Winter eine Überprüfung und gegebenenfalls eine Justierung des Förderbandlaufs einzuplanen und einen Abstand von 15–20 mm zwischen der Bandkante und der Rahmenkonstruktion einzuhalten, um die Kontraktion durch die Kälte auszugleichen.

In unserem laufenden Feldtestprogramm in zentralasiatischen Bergbaubetrieben bestätigen die Daten weiterhin, dass geschmiedete Walzen mit winterspezifischen Materialeigenschaften – höhere Oberflächenhärte, größere Härtetiefe, PU-Dichtungen und synthetisches Calciumsulfonatfett – eine messbar längere Lebensdauer bei Minustemperaturen aufweisen. Wir empfehlen Bergbaubetrieben in Kasachstan, der Mongolei und Usbekistan, diese winteroptimierten geschmiedeten Walzen für ihre Förderanlagen bei Temperaturen unter -15 °C einzusetzen. Jeder Lieferung winterspezifischer Walzen liegt ein ausführlicher Felddatenbericht bei, der die Wartungsplanung und die Lebenszykluskostenanalyse unterstützt.

Branchenbezogene Referenzen und Standards

1. ISO 16874 — Erdbewegungsmaschinen
2. Bergbautechnologie – Branchenanalyse

Häufig gestellte Fragen