Ofenanwender


Metallherstellung
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Stabile Prozesse mit hoher Produktqualität

Zur Optimierung der Prozessparameter von industriellen Wärmebehandlungsprozessen bietet das HTL mit seinen eigens entwickelten ThermoOptischen Messverfahren (TOM) eine spezielle Methodik an, die in mehreren Schritten erfolgt und flexibel einsetzbar ist. Die Optimierungsziele werden prinzipiell kundenspezifisch definiert. Je nach Anforderung werden durch das HTL Ausschussraten minimiert, Produkteigenschaften optimiert, Durchsatzraten erhöht oder/und der Energieverbrauch minimiert. Auch der Verschleiß von Ofenkomponenten kann bei der Optimierung der Prozessparameter minimiert werden.

Zu optimierende Prozessparameter aus der Froschperspektive des Erwärmungsguts
© Fraunhofer-Zentrum HTL

Prozessparameter

Flussdiagramm zur Prozessparameteroptimierung
© Fraunhofer-Zentrum HTL

Flussdiagramm zur Prozessparameteroptimierung

Für die Durchführung von Wärmebehandlungen in der Industrie werden stabile Prozesse mit hoher Produktqualität und geringen Kosten benötigt. Die Kosten setzen sich aus den Abschreibungen für die - in der Regel kapitalintensiven - Ofenanlagen, den Arbeitskosten für Wartung und Betrieb sowie den Kosten für Verschleißteile, Verbrauchsmaterialien und Energie zusammen. Um die Abschreibungskosten niedrig zu halten, wird ein hoher Durchsatz für das Erwärmungsgut angestrebt. Dies verbessert in der Regel auch die Energieeffizienz der Wärmebehandlung. Durch die Verkürzung des Temperaturzyklus entstehen jedoch höhere thermische Spannungen im Erwärmungsgut und den temperaturbelasteten Ofenkomponenten (Auskleidungen, Träger, Kapseln etc.). Dies führt zu höheren Ausschussraten beim Erwärmungsgut bzw. zu kürzeren Wartungszyklen, was wiederum die Herstellkosten erhöht.

Für den optimalen Betrieb eines Ofens existieren Prozessparameter, die zwischen zu niedrigem und zu hohem Durchsatz liegen. Das Auffinden der optimalen Prozessparameter bei industriellen Wärmebehandlungen erfordert spezielle Hilfsmittel. Mit einer einfachen zeitlichen Streckung oder Stauchung des Temperaturzyklus kann das Optimum nicht gefunden werden, weil die für das Ergebnis relevanten kritischen Prozesszonen und die vom Erwärmungsgut benötigte thermische Energie nicht genügend berücksichtigt werden. Auch die sonst sehr leistungsfähige statistische Versuchsplanung versagt bei der Optimierung von Temperatur-Zeit-Zyklen sehr häufig, weil die zu optimierenden Parameter Aufheiz- und Abkühlraten, Haltezeiten und -temperaturen sehr stark miteinander korreliert sind. Das heißt, in statistischen Versuchsplänen werden die zu untersuchenden Haupteffekte durch Wechselwirkungseffekte verdeckt. Außerdem hängt das Ergebnis der Wärmebehandlung neben dem Temperaturzyklus noch von weiteren Parametern ab: der Ofenatmosphäre und der lokalen Wechselwirkung zwischen Erwärmungsgut und Ofenatmosphäre, der Anordnung des Erwärmungsguts im Ofen und dessen thermischer und chemischer Wechselwirkung mit der Umgebung.

Das Fraunhofer-Zentrum HTL bietet eine spezielle Methodik zur zielgerichteten Optimierung der Parameter von industriellen Wärmebehandlungsprozessen und zur Verbesserung des Prozessverständnisses an. Hierfür werden vier Schritte benötigt:

  1. Im ersten Schritt wird der industrielle Wärmebehandlungsprozess in einem speziellen Labormessofen nachgestellt. In den dafür eigens entwickelten so genannten ThermoOptischen Messanlagen (TOM) des Fraunhofer-Zentrum HTL wird die Atmosphäre des Industrieofens exakt reproduziert. Die TOM-Öfen verfügen über Messsonden, mit denen die zur Beschreibung der Materialveränderung im Erwärmungsprozess relevanten Materialeigenschaften in situ, d.h. während der Wärmebehandlung, gemessen werden. Die Messungen finden in der Regel an kleinen Materialproben statt, weil diese unter genau definierten Bedingungen, z. B. ohne große Temperaturgradienten, erwärmt werden können.
  2. Im zweiten Schritt werden die Messdaten parametrisiert. Dazu werden numerisch robuste – so genannte formalkinetische - Methoden verwendet. Die Ergebnisse werden in ein Finite-Elemente (FE)-Modell transferiert. Im FE-Modell werden die thermischen, mechanischen und chemischen Effekte, die während der Wärmebehandlung auftreten, miteinander gekoppelt. Mittels FE-Methodik wird von der Probengröße auf Bauteilgröße und -geometrie hochskaliert. So lassen sich mittels FE-Simulation bereits im Bauteil auftretende Spannungen und Verformungen ermitteln. Die Prozessparameter werden variiert, um - zunächst am Computer - optimale Prozessbedingungen zu bestimmen.
  3. Dann werden die optimierten Prozessbedingungen durch Wärmebehandlungen in Labormessöfen überprüft. Dazu werden größere Proben bzw. Bauteile verwendet. In diesen Experimenten erfolgt eine Feinabstimmung der Prozessparameter. Bei Bedarf werden hier – oder bereits in den vorangegangenen Schritten - auch Wechselwirkungen mit der Ofenumgebung untersucht. Die Prozessparameter werden aus Sicht des Erwärmungsguts bestimmt (so genannte Froschperspektive), was im Hinblick auf die Produktqualität optimal ist.
  4. Abschließend erfolgt die Rückübertragung der optimierten Prozessparameter auf den Industrieofen. Gegebenenfalls werden dazu begleitende Untersuchungen am Industrieofen hinsichtlich Ofenatmosphäre, Gasströmung und Temperaturverteilung durchgeführt. Auch in dieser Phase können FE-Simulationen für das Hochskalieren des optimierten Prozesses auf den Produktionsmaßstab hilfreich sein. Da die Bedingungen in großen Industrieöfen in der Regel nicht ideal sind, weil z. B. Temperaturunterschiede im Nutzvolumen vorliegen, können Anpassungen der Prozessparameter erforderlich sein. Beispielsweise können Temperatur-Zeit-Zyklen so optimiert werden, dass trotz inhomogener Temperaturen im Industrieofen die Streuung der Produkteigenschaften minimal wird. Die optimierten Prozessparameter werden an den Anwender übergeben.

Die am Fraunhofer-Zentrum HTL entwickelte Methodik zur Optimierung von Wärmebehandlungsprozessen ist sehr flexibel einsetzbar. So können auch nur die besonders kritischen Teilprozesse einer Wärmebehandlung optimiert werden. Die Optimierungsziele werden kundenspezifisch definiert. Je nach Anforderung des Kunden werden durch das Fraunhofer-Zentrum HTL Ausschussraten minimiert, Produkteigenschaften optimiert, Durchsatzraten erhöht oder/und der Energieverbrauch minimiert. Auch der Verschleiß von Ofenkomponenten kann bei der Optimierung der Prozessparameter minimiert werden. Anwendungen liegen in der Herstellung von Silikatkeramiken, Oxidkeramiken, Nichtoxidkeramiken, Feuerfestprodukten, pulvermetallurgischen Produkten sowie der Metallherstellung. Sowohl die Produktqualität als auch die Kosten-, Energie- und Materialeffizienz der Wärmebehandlungsprozesse können mit den Methoden des Fraunhofer-Zentrum HTL optimiert werden.

Ergänzend zur Optimierung der Prozessparameter kann durch das Fraunhofer-Zentrum HTL auch eine Potentialanalyse von Produktionsöfen durchgeführt werden. Das Fraunhofer-Zentrum HTL hat dazu einen mobilen Ofenmessstand entwickelt. Dieser wird vor Ort eingesetzt, um Ofeneigenschaften bei laufendem Ofenbetrieb zu ermitteln. Aus den Daten können Rückschlüsse über mögliche Verbesserungen am Produktionsofen im Hinblick auf Produktqualität bzw. Energieeffizienz gezogen werden.

Für Rückfragen stehen wir gerne zur Verfügung:

Holger Friedrich

Contact Press / Media

Dr. Holger Friedrich

Fraunhofer-Zentrum für Hochtemperatur-Leichtbau HTL
Gottlieb-Keim-Str. 62
95448 Bayreuth

Telefon +49 921 78510-300

Fax +49 921 78510-001

Gerhard Seifert

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PD Dr. Gerhard Seifert

Fraunhofer-Zentrum für Hochtemperatur-Leichtbau HTL
Gottlieb-Keim-Str. 62
95448 Bayreuth

Telefon +49 921 78510-350

Fax +49 921 78510-001