Technischer Artikel
Über den Werkstoff eines Paneels entscheidet seine Position im Ofen, nicht sein Typ. Ein Vergleich, berechnet aus publizierten Daten.
Veröffentlicht: 21. Oktober 2026
Kurze Antwort: Nicht der Paneeltyp entscheidet, sondern seine Position im Ofen.
Im Normalbetrieb sieht ein Wandpaneel eine Wärmestromdichte von 600–700 kW/m². Bei dieser Belastung erreicht die Stahlwand lediglich 126 °C — für einen bis 400 °C ausgelegten Werkstoff unbedenklich. Deshalb besteht der größte Teil der Ofenwand aus Stahlpaneelen.
Anders verhält es sich bei Paneelen gegenüber den Sauerstoffinjektoren. Wenn ein Strahl zurückschlägt, sehen sie 4.000–6.000 kW/m². Bei 6.000 kW/m² beträgt allein die Temperaturdifferenz über die Stahlwand 462 °C; die 400-°C-Grenze ist überschritten, bevor die Wasserseite überhaupt berücksichtigt wird. Unter denselben Bedingungen bleibt die Differenz über eine Kupferwand bei 71 °C.
Die Frage lautet also nicht „welcher Werkstoff ist besser", sondern „wo wird dieses Paneel montiert".
Im Folgenden zeigen wir, woher diese Zahlen stammen.
Die Paneelauswahl beginnt mit der Kenntnis der Last. Toulouevski und Zinurov haben gemessene maximale Wärmestromdichten für wassergekühlte Ofenelemente zusammengestellt. Die drei für Wandpaneele relevanten Werte:
| Zustand des Wandpaneels | qmax (kW/m²) |
|---|---|
| Stark mit Schlacke bedeckt | 200 – 300 |
| Normalbetrieb, je nach Lichtbogenabschirmung | 600 – 700 |
| Bei Rückschlag des Sauerstoffstrahls | 4.000 – 6.000 |
Quelle: Toulouevski & Zinurov, Innovation in Electric Arc Furnaces, 2. Auflage, Springer, Abschnitt 12.3.1.
Die dritte Zeile bedarf einer kurzen Erläuterung.
In modernen Elektrolichtbogenöfen wird Sauerstoff über in der Seitenwand montierte Injektoren in das Bad geblasen, um Schmelzen und Frischen zu beschleunigen. Trifft der Strahl auf Schrott oder flüssiges Bad, wird ein Teil davon zur Wand zurückgelenkt — in der Branche spricht man von Rückschlag. In diesem Moment erhält das Paneel in Injektornähe einen kurzen, aber sehr intensiven Wärmeimpuls.
Die Autoren behandeln dies als eigenständigen Betriebszustand: dasselbe Wandpaneel sieht beim Rückschlag 4.000–6.000 kW/m² statt 600–700 kW/m². Das Paneel ändert sich nicht, die Bedingung ändert sich. Paneele gegenüber Brenner- und Injektoröffnungen sind diesem Ereignis ausgesetzt, weiter entfernte nicht.
Die Warnung der Autoren bestimmt den gesamten Auslegungsansatz: Elemente müssen auf die Spitzenwerte ausgelegt werden, nicht auf zeitlich gemittelte. Spitzenlasten sind kurz, wiederholen sich aber; sie bestimmen die Standzeit und verursachen vorzeitige Ausfälle. Eine ausreichend hohe Spitzenlast kann die Schlackenschicht innerhalb von Minuten abtragen, die Oberfläche aufschmelzen oder zum Durchbrand führen.
Die Werkstoffentscheidung richtet sich daher nach der Spitzenlast der Einbauposition, nicht nach der mittleren Last des Paneels.
Toulouevski und Zinurov geben eine vollständige Beispielrechnung für ein wassergekühltes Rohr (Beispiel 3, Kapitel 3):
Wasser strömt mit 3,0 m/s durch ein Rohr aus kohlenstoffarmem Stahl mit d₂ = 60 mm, d₁ = 52 mm, Wanddicke δ = 4 mm. Wassertemperatur 30 °C. Die Wärmestromdichte zum Wasser beträgt q = 600 kW/m².
Ihre Rechnung: der wasserseitige Wärmeübergangskoeffizient α = 11,5 kW/m²·°C, daraus die Innenwandtemperatur
t1 = 30 + 600/11,5 = 82 °C
Die Außenwand (Heißfläche) folgt aus t2 = t1 + q·δ/k, mit dem im Buch für kohlenstoffarmen Stahl angesetzten k = 55 W/m·K:
t2 = 82 + 600.000 × 0,004 / 55 = 126 °C
Dieselbe Rechnung, nur mit geändertem Wandwerkstoff:
| Werkstoff | Wärmeleitfähigkeit | Heißflächentemperatur |
|---|---|---|
| Kohlenstoffarmer Stahl | 55 W/m·K | 126 °C |
| Cu-DHP | 339 W/m·K | 89 °C |
| Cu-ETP | 394 W/m·K | 88 °C |
(Bedingungen: q = 600 kW/m², Wasser mit 3,0 m/s und 30 °C, 4 mm Wanddicke. Die wasserseitigen Bedingungen wurden konstant gehalten; nur der Wandwerkstoff wurde geändert.)
Das Ergebnis überrascht zunächst: bei 600 kW/m² erreicht die Stahlwand nur 126 °C.
Der Kesselrohrwerkstoff P265GH hat einen Dauergebrauchsbereich von −10 … +400 °C, und die Dehngrenzentabelle der Werkstoffnorm endet bei 400 °C (Nirotec Werkstoffdatenblatt, 1.0425). Die Grenze ist kein scharfer Versagenspunkt, sondern eine fortschreitende Schwächung: die Dehngrenze (Rp0,2) fällt von 220 MPa bei 100 °C auf 153 MPa bei 400 °C — rund 30 % Verlust. Ein Paneel ist ein unter Wasserdruck stehender Druckbehälter, und dieser Verlust geht unmittelbar von der Sicherheitsreserve ab.
126 °C liegt weit unter diesem Bereich. Deshalb sind die meisten Wandpaneele aus Stahl.
Entscheidend ist nicht die Normallast, sondern was im Moment des Rückschlags geschieht.
Hier wird die wasserseitige Rechnung unsicher — bei etwa 4.000 kW/m² tritt das Wasser in den Siedebereich ein und die einfache Konvektionsformel verliert ihre Gültigkeit. Der Temperaturabfall über die Wand ist von dieser Unsicherheit jedoch unabhängig; er ist reine Wärmeleitung und ergibt sich aus ΔT = q·δ/k:
| Wärmestromdichte | P265GH-Wand (4 mm) | Cu-DHP-Wand (4 mm) |
|---|---|---|
| 600 kW/m² (normal) | 46 °C | 7 °C |
| 4.000 kW/m² (Rückschlag) | 308 °C | 47 °C |
| 6.000 kW/m² (Rückschlag) | 462 °C | 71 °C |
Bei 6.000 kW/m² beträgt die Differenz zwischen den beiden Flächen der Stahlwand allein 462 °C — die 400-°C-Grenze ist überschritten, ohne die wasserseitige Temperatur überhaupt zu addieren. Unter denselben Bedingungen bleibt der Abfall über Kupfer bei 71 °C.
Hier rechtfertigt Kupfer seinen Preis. Bei Normallast besteht praktisch kein Unterschied zwischen den Werkstoffen; beim Rückschlag erreicht Stahl seine Grenze, Kupfer nicht. Und wie das Buch feststellt, sind es genau diese kurzen Momente, die die Standzeit bestimmen.
Deshalb trägt ein und derselbe Ofen sowohl Stahl- als auch Kupferpaneele: Kupfer an Positionen nahe Brenner- und Sauerstoffinjektoröffnungen, Stahl überall sonst.
Auf der Paneeloberfläche bilden sich Ansatz und Schlacke. Das ist keine Verschmutzung, sondern Teil der Auslegung.
Toulouevski und Zinurov berichten, dass bei stark mit Schlacke bedeckten Wandpaneelen die Spitzenwärmestromdichte auf 200–300 kW/m² fällt — weniger als die Hälfte der 600–700 kW/m² eines unbedeckten Paneels. Die Werte für unbedeckte Paneele entsprechen der Schwarzkörperstrahlung stark staubbeladener Gase bei 1.700 °C, nämlich 680 kW/m².
Praktische Folge: solange die Schlacke haftet, arbeitet das Paneel weit unterhalb seiner Auslegungslast. Der Werkstoffunterschied verkleinert sich in diesem Betriebszustand. Der Vorteil von Kupfer zeigt sich, wenn die Schlacke nicht haftet oder abgetragen wird — und das sind genau die Momente, in denen Elemente ausfallen.
Deshalb werden Bolzen, Näpfe oder Stifte auf die Paneelfläche geschweißt, um die Schlackenhaftung zu fördern.
| Cu-ETP | Cu-DHP | P265GH | |
|---|---|---|---|
| Wärmeleitfähigkeit (20 °C) | 394 W/m·K | 339 W/m·K | 52 W/m·K |
| Elektrische Leitfähigkeit | 58 MS/m (100 % IACS) | 50 MS/m (85 % IACS) | — |
| Zugfestigkeit | — | — | 470 MPa |
| Dehngrenze | — | — | 260 MPa |
| Dichte | 8,92 g/cm³ | 8,9 g/cm³ | 7,85 g/cm³ |
| Spezifische Wärmekapazität (20 °C) | 394 J/kg·K | — | 470 J/kg·K |
| Schmelzpunkt | — | 1.083 °C | — |
| Dauergebrauchstemperatur | — | — | −10 … +400 °C |
| Dehngrenze bei 400 °C | — | — | 153 MPa — 30 % Verlust gegenüber 220 MPa bei 100 °C |
Quellen: KME Cu-ETP Datenblatt · Aurubis C12200 Cu-DHP Datenblatt · Nirotec P265GH (1.0425) Datenblatt
Im Verhältnis leitet Cu-ETP 7,6-mal und Cu-DHP 6,5-mal besser als der Stahl.
Die obige Rechnung beschreibt den stationären Zustand. Die Last eines EAF ist jedoch nicht stationär — sie ändert sich über Chargieren, Schmelzen, Frischen und Abstich, und der Lichtbogen kann bei instabilem Brennen zur Wand abgelenkt werden.
Wie schnell ein Paneel auf diese Änderung reagiert, bestimmt die Temperaturleitfähigkeit:
α = k ÷ (ρ · cp)
| Rechnung | Temperaturleitfähigkeit | |
|---|---|---|
| Cu-ETP | 394 ÷ (8.920 × 394) | 112 mm²/s |
| P265GH | 52 ÷ (7.850 × 470) | 14,1 mm²/s |
Kupfer reagiert auf eine Temperaturänderung 8-mal schneller als Stahl. Das ist der zweite Vorteil von Kupfer in Zonen, die von zyklischem Thermoschock bestimmt werden: bei einer Spitzenlast steigt die Oberflächentemperatur weniger an, die Zyklusamplitude wird kleiner, Ermüdungsrisse setzen später ein.
(Dichte und spezifische Wärmekapazität stammen aus den in der obigen Tabelle genannten Quellen.)
Diese Unterscheidung ist in der Paneelfertigung entscheidend, wird aber selten thematisiert.
Cu-ETP (C11000) ist mit 394 W/m·K das am besten leitende Kupfer. Es ist jedoch in reduzierender Atmosphäre anfällig für Wasserstoffversprödung, was beim Schweißen zum Problem wird.
Cu-DHP(C12200) ist phosphordesoxidiertes Kupfer. Die enthaltenen 0,015–0,040 % Phosphor binden den Sauerstoff und beseitigen die Wasserstoffversprödung; das Aurubis-Datenblatt bewertet die Schweißeignung als „ausgezeichnet". Der Preis dafür ist ein Rückgang der Leitfähigkeit von 394 auf 339 W/m·K — rund 14 % Verlust.
Damit ist das Fertigungsverfahren mit der Werkstoffwahl verknüpft:
| Fertigungsverfahren | Kupferqualität | Grund |
|---|---|---|
| Geschweißtes Paneel | Cu-DHP | Kein Wasserstoffversprödungsrisiko an der Schweißnaht |
| Gegossen / ungeschweißt | Cu-ETP | Keine Einschränkung, volle Leitfähigkeit nutzbar |
DNL verwendet in geschweißten Paneelen Cu-DHP und in anderen Arbeiten Cu-ETP; die Wahl erfolgt projektbezogen.
„Kupferpaneel" ist also keine ausreichende Spezifikation. Bei der Anfrage sollte erfragt werden, welche Qualität verwendet wird und ob das Paneel geschweißt oder gegossen ist — beides hängt zusammen.
Die folgenden Werte stammen aus einer Dissertation von 1989 und spiegeln die Paneelpraxis jener Zeit wider. Die Paneeltechnik hat sich seitdem weiterentwickelt; die Zahlen sind als Größenordnungen zu lesen.
| Paneeltyp | Standzeit (Anzahl Chargen) |
|---|---|
| Stahl-Kastenpaneel (Typ Korf/Fuchs) | mindestens 1.500, typisch 1.000 mehr |
| Gegossener Kühlblock | 250 – 5.000 |
| Kupferpaneel | über 10.000 |
| Kupferpaneel — Hotspot untere Wand | 3.300 |
Quelle: Simon, M.J., The thermal performance of water cooled panels in electric arc steelmaking furnaces, PhD, 1989, S. 11.
Die letzte Zeile ist bedeutsam: die Standzeit eines Kupferpaneels fällt von 10.000 auf 3.300 Chargen, wenn es an einem Hotspot sitzt. Auch Kupfer verschleißt an der härtesten Position — nur langsamer als Stahl.
Die meisten Paneele versagen durch Rissbildung; als Ursachen werden Schrumpfung der Heißfläche und zyklischer Thermoschock genannt. Weitere Ausfallursachen sind Lichtbogenüberschlag auf das Paneel, unachtsames Sauerstoffblasen, teilweises Eintauchen in flüssigen Stahl und Schrottaufprall (ebd., S. 10).
Kupfer wird nicht überall eingesetzt, weil es teuer ist. Es ist sowohl im Rohstoff als auch in der Fertigung deutlich teurer als Stahl; der Einsatz beschränkt sich daher auf Positionen, an denen der Standzeitgewinn die Kosten rechtfertigt.
Unabhängig vom Paneelwerkstoff: ist die Wasserseite falsch ausgelegt, fällt das Paneel aus.
Toulouevski und Zinurov geben die Beziehung für den Mindestwasserdurchsatz an:
V = Q ÷ [1,15 × (taus − tein)] , m³/h
wobei Q der gesamte Wärmestrom ist, den das Element in seiner thermisch höchstbelasteten Phase aufnimmt (kW).
Die Temperaturgrenzen sind entscheidend:
| Bedingung | Maximale Austrittstemperatur | Grund |
|---|---|---|
| Chemisch unbehandeltes Wasser geringer Qualität | 40 – 50 °C | Salzablagerungen an den Kanalwänden |
| Chemisch behandeltes Wasser | 70 °C | Darüber steigen auch Innen- und Außenwandtemperatur |
Salzablagerungen verringern den Wärmeübergang, wodurch die Wandtemperatur steigt, was die Ablagerung beschleunigt. Eine sich selbst verstärkende Schleife und eine häufige, aber spät erkannte Ursache für Paneelausfälle.
Bei der Strömungsgeschwindigkeit liegt die Lieferantenpraxis überwiegend im Bereich 1,2–2,5 m/s; für hochbelastete Zonen wie die untere Schlackenlinie wurden Geschwindigkeiten über 5 m/s berichtet (ispatguru). Die Beispielrechnung des Buches verwendet 3,0 m/s.
Wasserkühlung bedeutet, Wärme aus dem Ofen abzuführen — und diese Wärme ist Energie.
Toulouevski und Zinurov geben eine detaillierte Wärmebilanz für einen modernen 130-t-EAF an. Der Ofen arbeitet mit 38 Minuten Abstich-zu-Abstich-Zeit, 78 MW Leistung und 331 kWh/t Stromverbrauch.
In dieser Bilanz beträgt die an die wassergekühlten Wand- und Deckelpaneele abgegebene Wärme 77 kWh/t, also 11,4 % des gesamten Energieeintrags (Abschnitt 4.3). Zum Vergleich: die Enthalpie des flüssigen Stahls — der Nutzanteil — liegt bei 58,1 %.
In einem modernen Ofen verlässt also rund ein Achtel des Energieeintrags den Prozess über die wassergekühlten Paneele.
Das wirkt wie ein Verlustposten, hat aber eine Gegenseite: eine wassergekühlte Wand senkt den Feuerfestverbrauch und die Stillstandszeiten erheblich. Ein Betrieb mit gleicher Leistung ohne Paneele ist nicht möglich.
Die obigen Daten stammen aus der Fachliteratur. Das Folgende sind DNLs eigene Fertigungsdaten.
| Wassergekühlte Stahlpaneele | P265GH-TC1 (nahtlos/gezogen), P235GH-TC1, A106 Gr.B und Äquivalente |
| Wassergekühlte Kupferpaneele | 99 % Kupfer — Cu-DHP in geschweißter Fertigung, Cu-ETP in anderen Arbeiten |
DNL fertigt Paneele in beiden Werkstoffen; ein Ofen kann positionsabhängig gemischt bestückt werden. Verwandte Komponenten: EAF-Obergehäuse, EAF-Deckel, wassergekühlter Krümmer.
| Durchmesserbereich | Wanddicke | |
|---|---|---|
| Kupfer | Ø76 – Ø90 mm | 10 – 12 mm |
| Stahl | Ø33 – Ø114 mm | 4 – 15 mm |
Die Beispielrechnung des Buches verwendet ein Stahlrohr Ø60 mm mit 4 mm Wanddicke — innerhalb dieses Bereichs.
| Ofenkapazität | bis 100 t (ausgelieferte Einheiten im Bereich 50–100 t) |
| Durchmesserbereich Obergehäuse | Ø3.000 – Ø10.000 mm |
| Hydrostatischer Prüfdruck | 12 – 40 bar nach Kundenanforderung (üblicherweise 12 – 20 bar gefordert) |
| Schweißnorm | EN ISO 3834-2 |
| Zerstörungsfreie Prüfung | Standard: Eindringprüfung (PT) + Durchstrahlungsprüfung (RT). Auf Anfrage: Ultraschall (UT), Magnetpulver (MT) |
| Gewährleistung | 12 Monate |
Ein verbreitetes Missverständnis zum Druck sei korrigiert: ein Kupferpaneel erfordert keine eigene Druckklasse. Kupfer- und Stahlpaneele im selben Ofen sind an denselben Kühlkreislauf angeschlossen und arbeiten mit demselben Druck. Beide Werkstoffe in einem Ofen zu führen ist üblich. Die oben genannten 12–40 bar sind ein hydrostatischer Prüfdruck zur Verifizierung der Fertigungsintegrität; er ist nicht mit dem Betriebsdruck zu verwechseln.
DNL fertigt sowohl Stahl- als auch Kupferpaneele. Damit wird die Werkstoffwahl zu einer technischen statt einer kommerziellen Entscheidung, weil es kein einzelnes zu verkaufendes Produkt gibt.
