ETPETP Institut für Elektroprozesstechnik

Kristallzüchtertagung in PotsdamAngewandte Simulation in der Kristallzüchtung

4 Institut für Elektroprozesstechnik

Ausgabe 2 - 2009

Energieeffizienz von Induktionstiegelöfen

Neues Projekt: Energieeinsparpotentiale in Eisengießereien

Induktionstiegelöfen zum Schmelzen

von Gusseisen haben heute einen

spezifischen Energieverbrauch von 520

bis 530 kWh/t Gusseisen ohne Berück-

sichtigung der Prozessführungsverluste.

Wird der Gesamt-Energieverbrauch ei-

ner Schmelzanlage inklusive der Pro-

zessführungsverluste betrachtet, kommt

man oft auf einen wirklichen Energie-

verbrauch von 600 bis 650 kWh/t Guss-

eisen.

Der Netto-Energiebedarf zum

Schmelzen und Überhitzen von Gussei-

sen auf 1500°C beträgt je nach Guss-

qualität 385 bis 395 kWh/t. Somit erge-

ben sich Energieverluste in Höhe von

205 bis 265 kWh/t, so dass davon auszu-

gehen ist, dass Potentiale zur Reduzie-

rung des Energieverbrauches vorhan-

den sind. Eine Reduzierung des Ener-

gieverbrauches sollte zum einen im

Schmelzofen selbst möglich sein, zum

anderen sind bei der Optimierung der

Prozessführung und bei den Peripherie-

einrichtungen erhebliche Energieer-

sparnisse zu sehen.

Gelingt es, Möglichkeiten und Maß-

nahmen zur Reduzierung des Energie-

verbrauches zu erarbeiten und später in

der Praxis umzusetzen, kann damit die

Energieeffizienz von Schmelzanlagen

erheblich verbessert werden und somit

ein wertvoller Beitrag zur Reduktion

von CO2-Emissionen erreicht werden,

um das Klima nachhaltig zu schonen.

Das ETP erhielt im Rahmen eines

vom Land Brandenburg geförderten

Projektes den Auftrag, die Energieein-

sparpotentiale einer Induktionsofen-

schmelzanlage in einer Eisengießerei zu

erarbeiten. Dabei sollen der Ofenbetrieb

und die Ofenkonstruktion analysiert

werden, um daraus Möglichkeiten und

Maßnahmen zur Reduktion des Ener-

gieverbrauches abzuleiten.

Anschließend werden mögliche

Maßnahmen zur Realisierung der Po-

tentiale erarbeitet und auf ihre Wirk-

samkeit und Machbarkeit hin geprüft.

In ersten Untersuchungen vor Ort

wurde ein Energieflussdiagramm er-

stellt, bei dem alle wesentlichen Ver-

braucher von der Chargiereinrichtung

bis zum Abguss in die Transportpfan-

nen berücksichtigt sind. Neben dem

Verbrauch des Ofens mit Zuleitungs,

Umrichter- und Trafoverlusten sind

noch die peripheren Verbraucher wie

Wasserpumpen und Ventilatoren für die

Kühlung und Entstaubungsanlagen zu

nennen, die mit ca. 5% einen nennens-

werten Anteil am Gesamtverbrauch be-

sitzen.

In einer weiteren Untersuchung wur-

de ein 3D-Ofenmodell erstellt, um Ein-

flüsse der Ofenausführung in einer Para-

meterstudie zu analysieren (s. Abb. 1).

Hier stehen als Parameter die Dicke der

Tiegelwand, die Geometrie von Induk-

tions- und Kühlspule, die Ausführung

der Zustellschablone für die Tiegelgeo-

metrie, die Temperatur der Induktions-

spule und das Material der Kühlspule im

Vordergrund. Erste Ergebnisse zeigen,

dass der Wirkungsgrad der Ofenkon-

struktion um mindestens 5% verbessert

werden kann. Die Einsparung an Strom-

kosten durch diese möglichen Maßnah-

men würden sich auf ca. 75000 � pro

Jahr beziffern.

Inhalt

Energieeffizienz von Induktions-tiegelöfen 1

Prozessoptimierung am ETP durchFEM-Analyse 2

Neue Professur am ETP 3Promotion von M. Langejürgen 3

Kristallzüchtertagung inPotsdam 4Aktuelles Seminar 4

Zeitgleich zu den ersten Sonnen-

strahlen in diesem Jahr fand vom 1.

bis zum 3. April in Potsdam am Grieb-

nitzsee das 10. Kinetikseminar der

DGKK (Deutsche Gesellschaft für Kris-

tallwachstum und Kristallzüchtung e.V.)

zusammen mit dem 6. Workshop Ange-

wandte Simulation in der Kristallzüch-

tung statt. In Reichweite der Babelsber-

ger Filmstudios wurde im idyllisch gele-

genen Tagungshotel in lockerer Atmo-

sphäre über die aktuellen Probleme und

Fortschritte in der Kristallzüchtung dis-

kutiert. Trotz der reizvollen Umgebung

stand das Thema Kristallzüchtung an

erster Stelle, und so wurden selbst die

Spaziergänge entlang des Griebnitzsees

auf dem geschichtsträchtigen Grenzweg

für den intensiven fachlichen Austausch

genutzt. Der Veranstalter möchte tradi-

tionell Physiker, Kristallzüchter und Nu-

meriker zusammenführen, und so wur-

den an den drei Tagen fast 30 Beiträge

präsentiert, deren Themenspektrum

recht breit gefächert war. Die Analyse

von Nanostrukturen und die numerische

Das ETP veranstaltet in Zusammen-

arbeit mit der Forschungsvereini-

gung Industrieofenbau e.V. (FOGI) am

10. und 11. Februar 2010 in Hannover

das aktuelle Seminar „Elektrothermi-

sche Prozesstechnik“.

Das Seminar

bietet einen Über-

blick über den ak-

tuellen Stand der

industriellen elektrothermischen Pro-

zesstechnik. Dabei vermitteln die Refe-

renten aus der Industrie und dem Institut

ausgewählte physikalische und techni-

sche Grundlagen, präsentieren neue An-

wendungsgebiete, stellen moderne An-

lagen- und Verfahrenskonzepte vor und

führen energetische und wirtschaftliche

Vergleiche wärmetechnischer Prozesse

durch. Praxisnah werden anhand inno-

vativer Beispiele die wirtschaftlichen,

effizienten Einsatzmöglichkeiten der

Elektroprozesswärme aufgezeigt. Dank

der anwendungsbezogenen Inhalte des

Seminars ist die direkte Umsetzung der

erworbenen Kenntnisse in die betriebli-

che Praxis möglich.

Die Zielgruppe des Seminars sind

Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter aus

Unternehmen, die wärmetechnische An-

lagen herstellen oder betreiben, sowie

Beschäftigte aus dem Bereich der Ener-

giedienstleistung und Energieberatung.

Weitere Informationen und Anmeldung

unter:

Tel.: (0511)762-2872

www.etp.uni-hannover.de

Simulation des Kristallwachstums sind

dabei nur zwei wichtige Aspekte, die

behandelt wurden. Insbesondere He-

rausforderungen, die eine enge Zusam-

menarbeit zwischen Forschung und In-

dustrie erfordern, standen auf dem Ta-

gesplan. Besonders interessant für die

Anwender von numerischen Simula-

tionsprogrammen waren die vielen an-

wesenden Softwareanbieter, von denen

einige auch

mit interes-

santen Prä-

sentationen

aufwarten

konnten.

Auf zahl-

reichen Fir-

menstän-

den konnte

sich dann

in den Kaf-

feepausen

direkt über

die Ein-

satzmög-

lichkeiten informiert werden. Das Insti-

tut für Elektroprozesstechnik war mit ei-

nem Vortrag zur dreidimensionalen

elektrischen und thermischen Simulati-

on einer widerstandsbeheizten EFG-

Anlage vertreten und bekräftigte damit

den Trend zur Entwicklung neuer und

kostengünstiger Herstellungsverfahren

von Silizium für die Photovoltaikindu-

strie.

Redaktion:

Dipl.-Ing. Sebastian WipprechtProf. Dr.-Ing. Egbert BaakeTelefon: 05 11 / 7 62 - 23 66Telefax: 05 11 / 7 62 - 32 75E-Mail: etp@etp.uni-hannover.deURL: www.etp.uni-hannover.de

Herausgeber:

Institut für Elektroprozesstechnikund Vereinigung zur Förderungdes Instituts für Elektrowärme derUniversität Hannover e.V.

Aktuelles SeminarElektrothermischeProzesstechnik

Blick auf das Tagungshotel avendi am idyllischen GriebnitzseeAbbildung 1: Numerisches Ofenmodell

mit Schnittansicht der Induktionsspule

2 Institut für Elektroprozesstechnik Institut für Elektroprozesstechnik 3

Prozessoptimierung am ETP durch FEM AnalyseFortschritt im Induktionshärten von Zahnrädern durch optimierte Feldführungselemente

Der Wunsch nach Verbesserun-

gen des mechanischen Verhal-

tens von Zahnrädern und verzahnten

Bauteilen führt oft zur Notwendig-

keit, die Oberflächenstruktur des

Werkstücks zu optimieren. Ein ho-

mogenes Härteprofil der Oberfläche

bedarf im Falle einer Härtung durch

Induktion der Homogenisierung des

elektromagnetischen Feldes. Ein

großer Teil der notwendigen Homo-

genisierung lässt sich durch Adapti-

on der Frequenz des Induktorstroms,

der Heizzeit und der Induktorgeo-

metrie erreichen. In aktuellen Induk-

tionshärteprozessen wird die Induk-

torgeometrie durch zusätzliche

Feldkonzentratoren den Erforder-

nissen des Prozesses angepasst. Der

Verlauf der Temperaturverteilung

im Werkstück lässt sich während des

Heizprozesses nahezu nicht messen.

Eine Analyse anhand eines nume-

rischen FEM-Modells der Prozess-

anordnung zeigt den günstigen Ein-

fluss auf das Ausmaß der Kanten-

und Spitzenüberhitzung, wenn ein

Feldkonzentrator im Bereich des

Werkstücks angeordnet wird. Das

definierte Führen des elektromagne-

tischen Feldes führt

zu einer homogene-

ren Verteilung der

Temperatur im

Zahnrad und somit

zu einer Verbesse-

rung der Härteer-

gebnisse.

Am Institut für

Elektroprozesstech-

nik wird derzeit zu-

sammen mit einem

Industriepartner an

der Optimierung

von Induktionshär-

teprozessen von

Stirnrädern gear-

beitet mit dem Ziel,

eine möglichst homogene Vertei-

lung der Temperatur während des

Prozesses zu erreichen.

Für den Härteprozess eines

Zahnrades wurden ver-

schiedene Induktor-

Werkstück-Anordnun-

gen betrachtet und nu-

merisch modelliert. Im

Mittelpunkt der For-

schung steht dabei die

Wirkung von Magnetlei-

termaterialien und Kup-

ferringen zur gezielten

Führung von elektro-

magnetischen Feldern.

Wird ein Zahnrad ohne

feldbeeinflussende Ele-

mente erwärmt, führt

das sehr oft zu Berei-

chen stärkerer Überhitzung und Be-

reichen mit einer für das Härten

nicht ausreichenden Temperatur

(siehe Abbildung 1). Durch das ge-

zielte Beeinflussen der Felder lässt

sich eine stärkere Homogenität hin-

sichtlich der Temperatur und der Ei-

genspannungen des Werkstücks er-

reichen, was sich somit positiv auf

das Härteprofil auswirkt.

Im Laufe der Untersuchungen

hat sich gezeigt, dass Ringe aus

magnetisch gut leitendem Material

wie auch Ringe aus Kupfer den Er-

wärmungsverlauf äußerst positiv

beeinflussen. Abbildung 2 zeigt das

Resultat einer Erwärmung mit Feld-

führungselementen. Es ist deutlich

zu erkennen, dass die Variante mit

Feldführung zu einer besseren, ho-

mogeneren Verteilung der Wärme

im Zahn führt.

Der Abschluss der Untersuchun-

gen konzentriert sich auf die optima-

le Kombination aus Magnetleitern

und Kupferelementen, um ein opti-

males Härtebild sicherzustellen.

Neue Professur am ETPM. Skiba zum Honorarprofessor ernannt

Am 3. August wurde Dr.-Ing.

Martin Skiba vom Präsidenten

der Leibniz Universität, Herrn Prof.

Dr.-Ing. Erich Barke, zum Honorar-

professor bestellt.

Martin Skiba studierte von 1986

bis 1992 Maschinenbau an der

Ruhr-Universität Bochum. Frühzei-

tig richtete sich sein Interesse dabei

auf die Energietechnik, und hier ins-

besondere auf die Erneuerbaren

Energien. Nach dem Studium arbei-

tete Herr Skiba als wissenschaftli-

cher Mitarbeiter am Lehrstuhl für

Nukleare und Neue Energiesysteme

der Universität Bochum. Während

seiner Tätigkeit dort verfasste er

zahlreiche Studien und Publikatio-

nen im Bereich der Erneuerbaren

Energien und der rationellen Ener-

gienutzung, u. a. bspw. den Solarat-

las für Nordrhein-Westfalen. Mit ei-

nem neuen Verfahren zur Standort-

evaluation solartechnischer Anla-

gen promovierte Skiba 1997 und

verließ die Universität 1998, um in

Hamburg bei der dortigen Shell So-

lar für den Aufbau der Solarsparte

der Deutsche Shell AG zu arbeiten.

Den Wechsel zur Windenergie

vollzog Professor Skiba dann Ende

2001, als er bei der damals frisch

gegründeten REpower Systems AG

in Hamburg als Projektmanager für

die Entwicklung einer 5 MW Wind-

energieanlage für die Nutzung im

Meer angestellt wurde. An der Ent-

wicklung des Prototypen (im No-

vember 2004 wurde die damals

weltweit größte Windenergieanlage

in Brunsbüttel erfolgreich in Betrieb

genommen) und der anschließenden

Markteinführung arbeitete Profes-

sor Skiba bis Mitte 2008, zuletzt als

Prokurist und Leiter des Geschäfts-

bereichs „offshore”. Im WS

2001/2002 begann Professor Skiba

gleichzeitig mit der zweisemest-

rigen Vorlesung „Nutzung solarer

Energie“ am Institut für Elektropro-

zesstechnik. Mit dem Wechsel zur

RWE Innogy GmbH, einer Tochter

der RWE AG, im August 2008 blieb

Prof. Skiba der Windenergienut-

zung treu: Er ist dort als Bereichslei-

ter und Geschäftsführer von Töch-

tern und Beteiligungen in Großbri-

tannien, den Niederlanden, Belgien

und Deutschland für alle Aktivitäten

der Offshore Windenergienutzung

verantwortlich. Das Portfolio um-

fasst hierbei europäische Projekte

im mehrfachen GW Bereich, die

teilweise in der Entwicklung, teil-

weise im Bau oder in Betrieb sind.

Herr Prof. Dr.-Ing. Skiba ist wei-

terhin Mitglied in verschiedenen

Gremien, u.a. im wissenschaftlichen

Beirat des DEWI sowie im Kuratori-

um der Stiftung Offshore-Wind-

energie.

Prof. Dr.-Ing. Martin Skiba

Abbildung 2:Induktionshärteprozess bei Verwendung

einer konturangepassten, seitlichen Werkstückfeldfüh-

rung mit optimierter Induktoroberfläche

Promotion

Markus Langejürgen

Nach fünfjähriger Tätigkeit als

wissenschaftlicher Mitarbeiter

am ETP wurde am 14. August 2009

Herr Dipl.-Ing. Markus Langejürgen

zum Dr.-Ing. promoviert. Herr Lan-

gejürgen

arbeitete

während

seiner Zeit

am ETP

vorrangig

an Lösun-

gen von

multiphy-

sikali-

schen Pro-

blemstellungen unter Einsatz der nu-

merischen Simulation. Im Bereich

der Lehre betreute er die Lehrveran-

staltung im Grundstudium „Techni-

sche Wärmelehre“.

In seiner Dissertation mit dem

Titel „Entwicklung und Anwendung

eines neuen Verfahrens zur Berech-

nung turbulenter Strömungen in In-

duktions-Rinnenöfen“ gelingt erst-

mals die erfolgreiche Durchführung

einer transienten dreidimensionalen

numerischen Simulation des turbu-

lenten Wärme- und Stofftransports

zwischen Rinnenkanal und der

Schmelze im Ofengefäß eines In-

duktions-Rinnenofens. Die in indu-

striellen Anwendungen verifizierten

Ergebnisse tragen sowohl zur Ver-

besserung des Betriebsverhaltens als

auch zur Verlängerung der Standzeit

der feuerfesten Zustellung im Induk-

tions-Rinnenofen bei.

Herr Dr. Langejürgen ist heute

als Entwicklungsingenieur bei der

Firma SMS-Elotherm in Remscheid

tätig.

Dr.-Ing. M. Langejürgen

Abbildung 1:Induktionshärteprozess ohne feldbe-

einflussende Komponenten am Werkstück