FOUNDRY PRACTICE 264 - download-centre.foseco.comdownload-centre.foseco.com/fileadmin/GIFA2015/foundry_practice/FP... · Juni 2015 Foundry Practice 264 03 08 11 In den letzten 10

dAs FAchMAgAzin Für den giesserei-ingenieur

KundensPeziFische Lösungen Für den räderguss

enerTeK - energieeFFizienz Von schMeLzTiegeLn

FcTM - üBerWAchung der eFFizienz Von TiegeLöFen

MeLTMAP AudiT - die üBerPrüFung der schMeLzeQuALiTäT in ALuMiniuMgiessereien

sMArTT - eine innoVATiVe ProzesssTeuerung Für die roTorenTgAsung Von ALuMiniuMschMeLzen

zusTeLLung Von dosieröFen MiT insurAL

unTersuchungen zur durchMischung Von grossen giessöFen MiT unTerschiedLichen rührerdesigns

Juni 2015

FOUNDRY PRACTICE 264S C H L I C H T E N F I LT R AT I O N S P E I S U N G S T E C H N I K F E U E R F E S T T E C H N I K M E TA L L U R G I E - U N D G I E S S KO N T R O L L E B I N D E M I T T E L T I E G E L

Juni 2015

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In den letzten 10 Jahren hat die Verbreitung von Aluminiumfelgen im Fahrzeugbau stark zugenommen, welche überwiegend im Niederdruck-Kokillenguss hergestellt werden. Wie für alle Gussteile im Fahrzeugbau sind die Qualitätsanforderungen an dieses sicherheitsrelevante Teil des Fahrzeugs sehr hoch. Foseco hat ein komplettes Programm an Produkten und Serviceleistungen entwickelt, um Gießereien in jedem der Prozessschritte die bestmögliche Unterstützung geben zu können. Dieses Konzept der gesamtheitlichen Prozessanalyse wird in den nächsten Jahren aktiv weitergeführt.

Steigende Energiekosten und der CO2 Ausstoß rücken immer mehr ins Zentrum der

Aufmerksamkeit und die Energieeffizienz spielt eine immer wichtigere Rolle. Der Energieverbrauch beim Betrieb eines Tiegelofens hängt zunächst maßgeblich vom Ofentyp und der Verfahrensweise ab, wird aber auch stark von den thermischen Eigenschaften des Tiegelmaterials beeinflusst. Studien haben gezeigt, dass die neue und verbesserte ENERTEK Tiegelqualität in der Lage ist, den Energieverbrauch im Vergleich zu anderen Tiegelqualitäten deutlich zu senken.

Ein zusätzlicher Effekt im Warmhaltebetrieb ist die verbesserte Temperaturkontrolle. Dies kann zur Verringerung der Ausschussquote bei temperaturbedingten Gussproblemen führen.

Die Wirkung eines einzelnen Aggregates auf die Gesamtleistung einer Aluminiumgießerei ist im Allgemeinen nicht gut nachzuvollziehen. Der Foseco Tiegel Durchsatzmonitor (FCTM) wurde als Lösung für Probleme mit der Kontrolle des Wirkungsgrades eines elektrisch widerstandsbeheizten Tiegelofens entwickelt. FCTM verbindet die Kontrolle von Metalldurchgang mit der kontinuierlichen Messung von Energieverbrauch und Temperatur eines Tiegelofens.

Es wird verwendet, um die relative Leistung von mehreren Tiegelöfen zu vergleichen, und, was vielleicht noch wichtiger ist, die FCTM-Datenanalysetechnik kann dazu verwendet werden, Schlüsselprozessschritte (Chargieren, Gießen, Metallbehandlung, usw.) in Bezug auf Energieverbrauch, Zeit und Temperatur zu separieren. Damit kann die Wirkung der einzelnen Prozessparameter auf die Ofenleistung betrachtet werden und mit einer quantitativen Rückmeldung können Feineinstellungen der Effizienz bis auf das Niveau einer spezifischen Aktivität im einzelnen Ofen vorgenommen werden.

KundensPeziFische Lösungen Für den räderguss

Autoren: roger Kendrick, Foseco europe, giorgio Muneratti, Vesuvius italy, Martin Freyn, Vesuvius slavia, Philippe Kientzler, Foseco international, gustavo Martinez, Foseco Mexico und eiyu Tei, Foseco Japan

enerTeK*Energieeffizienz von SchmelztiegelnAutoren: Steffen Heumann, Foseco Germany und Martin Freyn, Vesuvius Slavia

FcTMÜberwachung der Effizienz von TiegelöfenAutoren: Brian Pinto, Foseco NAFTA und Mathieu Navarro, Avemis

Das Fachmagazin für den Gießerei-Ingenieur

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Eine prozesssichere und reproduzierbare Schmelzebehandlung in Verbindung mit einem optimalen Gießprozess werden immer wichtiger. SMARTT ist eine innovative Prozesssteuerung, welche auf einem PC installiert und über LAN mit der Steuerung des Entgasungsgerätes verbunden ist. SMARTT analysiert Startbedingungen wie Luftfeuchtigkeit und –temperatur oder Schmelzeeigenschaften und berechnet die besten Parameter für die nachfolgende Entgasungsbehandlung. Durch diese Optimierung kann ein gleichmäßiges Ergebnis der Entgasung garantiert werden; die FDU Parameter werden zur besseren Nachverfolgung protokolliert.

Beispiele aus Gießereiversuchen zeigen die Veränderungen von FDU Behandlungs-parametern in Abhängigkeit von Variationen der Eingangsbedingungen.

Die Lösung für Ihren Dosierofen: Komplett trockene Zustellung mit INSURAL Fertigteilen und hochwertigen Isoliermaterialien. Hohe Energieeinsparung, keine Sinterung, schneller zu einem niedrigen Dichteindex, leichtere Ofenreinigung.

Dieser Bericht untersucht die Wirkung von Entgasungsgeräten mit pumpenden Rotoren in widerstandsbeheizten Halte- und Gießöfen hinsichtlich einer homogenen Schmelzequalität. Seigerungen oder Inhomogenitäten führen zu Kaltlauf, Schrumpfung, ungleichmäßigem Gefüge, Einschlüssen oder Gasporosität.

Eine Versuchsreihe im Wassermodell hat unterschiedliche Rotordesigns hinsichtlich ihres Homogenisierungsverhaltens miteinander verglichen. Die danach durchgeführten Gießereiversuche bei Montupet Ruse (BG) haben die guten Ergebnisse der XSR und FDR Pumprotoren bestätigt.

Die Qualitätsansprüche an Aluminiumgussteile steigen ständig, um die wachsenden Anforderungen der Bauteile zu erfüllen. Die Basis für jedes Gussstück ist die umfassende Beurteilung der Schmelze vor dem Vergießen. Deswegen wird es immer wichtiger, den Einfluss der Schmelzeeigenschaften zu verstehen und zu beeinflussen.

Dieser Artikel beschreibt unterschiedliche Methoden zum Messen und Beurteilen der Schmelze hinsichtlich Wasserstoff- und Einschlussgehalt. Durch die Bestimmung dieser beiden Werte vor und nach einer Entgasungsbehandlung kann die Effektivität dieses Prozessschrittes bestimmt werden. Zusätzlich kann die Überwachung aller Schmelz- und Umfüllprozesse zur Aufdeckung von Schwachstellen führen, die dann gezielt beseitigt werden können.

sMArTTEine innovative Prozesssteuerung für die Rotorentgasung von AluminiumschmelzenAutor: Ronny Simon, Foseco Europe

zusTeLLung Von dosieröFen MiT insurAL*Das Ziel: Hohe AnlagenverfügbarkeitAutoren: Arndt Fröscher, Foseco Europe und Jens Ohm, Foseco Germany

unTersuchungen zur durchMischung Von grossen giessöFen MiT unTerschiedLichen rührerdesignsAutoren: ondrej Fazekas und Pascaline careil, Foseco europe; Martin Freyn, Vesuvius slavia, denis Massinon und david izerable, Montupet

MeLTMAP AudiTDie Überprüfung der Schmelzequalität in AluminiumgießereienAutoren: roger Kendrick und Pascaline careil, Foseco europe und Martin Freyn, Vesuvius slavia

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Ausgabe 264

CMYKGrey : 0 / 0 / 0 /85Red : 0 / 100 / 96 / 0

Kundenspezifische Lösungen für den Räderguss

In den letzten 10 Jahren hat die Verbreitung von Aluminiumfelgen im Fahrzeugbau stark zugenommen. Gründe dafür sind Ihr modernes Design und gutes Aussehen, aber auch die hohe Zuverlässigkeit dieser Räder. Aluminiumfelgen sollen mechanisch belastbar und leicht, stabil und robust sowie maßhaltig und geschmackvoll verarbeitet sein. Damit sind die heutigen Aluminiumfelgen ein technologisch fortschrittliches Produkt, das hohe Qualität, Zuverlässigkeit und Sicherheit bietet. Als eines der sicherheitsrelevanten Teile des Fahrzeugs (sie überträgt die Antriebs- und Bremskräfte auf die Straße), muss die Felge über ihre gesamte Lebensdauer mechanisch stabil sein, aber auch plastische Reserven aufweisen, wie beispielsweise beim Durchfahren von Schlaglöchern. Rund- und Gleichlauf sind weitere Anforderungen an eine gute Felge.

Die Kontrolle der Felge in der Gießerei umfasst deswegen Ab-messung, Legierungszusammensetzung, Härte, Korngröße und Struktur des Eutektikums, Bruchtests, Dehnung, Röntgenkontrol-le, Druckdichtigkeit und Sichtprüfung. Damit zählt die Alumini-umfelge zu den am besten überwachten Gussstücken.

Aluminiumfelgen werden überwiegend im Niederdruck-Kokillenguss gefertigt. Dieser Prozess unterteilt sich in die folgenden Schritte:

• Auswahl des Einsatzmaterials

• Schmelzen

• Warmhalten

• Schmelzetransport

• Schmelzebehandlung in der Pfanne

• Umfüllen in den Niederdruckofen

• Füllen der Kokille und Erstarren

• Entnahme des Gussstücks und Sichtprüfung

• Prüfen durch Röntgenverfahren

• Wärmebehandlung

• Bearbeiten

• Lackieren

• Drucktest und Abschlussprüfung

Foseco hat ein komplettes Programm an Produkten und Serviceleistungen entwickelt, um Gießereien in jedem der Prozessschritte die bestmögliche Unterstützung geben zu können.

Auswahl des EinsatzmaterialsZur Erreichung bester mechanischer Eigenschaften, insbesondere einer hohen Dehnung, muss besonders der Eisengehalt überwacht werden. Üblicherweise werden neben der Primärlegierung in Masselform auch Schrotte aus dem Gießprozess und Späne, die bei der mechanischen Bearbeitung anfallen, eingesetzt. Etwa 40 % der ursprünglich gegossenen Felge werden im Produktionsprozess entfernt, die entstehenden Späne haben eine große Oberfläche und stellen eine nicht zu unterschätzende Quelle für Oxide dar. Deshalb ist eine Vorbehandlung der Späne erforderlich, um ihren hohen Wert zu erhalten. Zusätzlich kommen effektive chemische Reiniger wie COVERAL* GR 6512 zum Einsatz. Nach der Reinigung der eingeschmolzenen Späne auf ein annehmbares Qualitätsniveau ist die kontrollierte Verwendung für die Herstellung neuer Felgen möglich.

SchmelzenAluminiumgießereien schmelzen heute überwiegend in Schachtschmelzöfen oder Flammöfen. Diese Öfen müssen drei Anforderungen erfüllen: Eine hohe Schmelzrate, eine hohe Energieeffizienz und das Vermeiden von Oxidbildung.

In der Schmelz- und Haltezone der Öfen kommen Feuer-festmaterialien zum Einsatz, die gut verträglich mit Aluminium-Silizium-Legierungen sind, hohe mechanische Festigkeit aufweisen, nicht benetzbar und resistent gegen Korundbildung sind. Das feuerfeste Material soll besonders beim Chargieren widerstandsfähig gegen mechanische Belastung sein und eine lange Standzeit aufweisen.

ALUGARD* CE-S ist eine hoch aluminiumoxidhaltige Gießmasse mit geringem Zementanteil, speziell für Aluminium-Silizium-Legierungen in Schachtschmelz- oder Flammöfen. Sie bietet lange Standzeiten, eine hohe Widerstandsfähigkeit gegen Korundbildung und ist einfach zu reinigen. Für Ofentüren, Ofendecke und Wände ohne Schmelzekontakt eignen sich die leichteren Massen TRIAD* 45AL und BLU-RAM* HS. Für große Reparaturen wird DURAGUN* 66AL zum Spritzen oder Verputzen empfohlen.

Die richtige Auswahl der feuerfesten Materialien ist genauso wichtig wie ihr korrektes Einbringen, nur dadurch ist eine lange Standzeit der Öfen sichergestellt. Deshalb berät Foseco die Kunden in der Planungsphase und überwacht die Durchführung von kompletten Ofenzustellungen oder Reparaturen.

Eine schnelle und korrekte Temperaturmessung in Schmelzöfen erlaubt eine optimale Ofensteuerung. Schutzrohre für Thermoelemente müssen deswegen eine hohe thermische Leitfähigkeit aufweisen; Schutzrohre aus ISO-PRIME oder 3MSILICIUMNITRID bieten darüber hinaus eine lange Standzeit im Ofen. Eine optimale Zusammenstellung von feuerfesten Materialien zusammen mit schnell reagierenden Thermoelementen liefert eine qualitativ hochwertige Schmelze als Ausgangspunkt für eine gute Felge.

SchmelzetransportNach dem Schmelzen wird das flüssige Aluminium in eine Transportpfanne überführt und vor dem Befüllen der Niederdrucköfen behandelt. Die Schmelzebehandlung um-fasst Kornfeinung, Veredlung, Reinigung und Einstellung des Wasserstoffgehalts durch Entgasen und manchmal auch nachfolgendes Begasen, sie dauert etwa 10 Minuten. In dieser Zeit muss besonders auf den Temperaturverlust geachtet werden; hohe Isolierung und leichte Reinigung des Pfannenmaterials sind daher wichtig.

Foseco bietet hier zwei Alternativen an: INSURAL* 140 wird als Formteil geliefert, welches beim Brennen auf über 700 °C erhitzt wurde. Es ist nicht durch Aluminium benetzbar und liefert zusammen mit INSURAL 10 Hinterfüllmaterial eine hohe thermische Isolierung.

Nach der Zustellung kann in Abhängigkeit der Füllmenge ein Temperaturverlust bei INSURAL 140 von etwa 3 Kelvin pro Minute gemessen werden. Der Pfanneneinsatz ist leicht zu reinigen und somit nahezu frei von Oxidanhaftungen.

INSURAL 270 kommt zum Einsatz, wenn eine sehr lange Standzeit der Pfanne gefordert ist. Dabei ist die Isolierwirkung ausreichend hoch und das Material ist besonders widerstandsfähig gegen Auswaschungen beim Befüllen.

SchmelzebehandlungEine Schmelzebehandlung in der Transportpfanne ist notwendig, um eine gleichmäßig hohe Qualität der Schmelze zu erreichen. Strontium als Veredlungsmittel beeinflusst die Struktur des Eutektikums und wirkt sich besonders auf die Dehnung im Gussteil aus. Dabei kommen entweder Masseln mit Dauerveredlung zum Einsatz oder eine Aluminium-Strontium-Vorlegierung, welche unmittelbar vor dem Entgasen zugesetzt wird. Neben der Strontiumzugabe erfolgt eine Kornfeinung mit Titan und Bor zur weiteren Optimierung der mechanischen Eigenschaften und zur Reduzierung von Schrumpfungsporositäten in Bereichen mit großer Wandstärke. Zusätzlich zu einer besseren Dehnung und konstanten mechanischen Eigenschaften verbessert die Kornfeinung auch die Widerstandsfähigkeit gegen Materialermüdung, erleichtert die Bearbeitung und reduziert die Neigung zu Warmrissbildung.

Die Kornfeinung liefert beste Ergebnisse, wenn chemische Produkte die Titandiboride in-situ in der Schmelze bilden. Tabletten wie NUCLEANT* 70SS oder NUCLEANT 100SP sind geeignete Produkte; die beste Kornfeinungswirkung erzielt man jedoch durch die Zugabe von COVERAL MTS 1582 mittels FDU Entgasungsgeräten und der automatischen Granulatzugabe MTS 1500. Neben exzellenter Kornfeinung werden zusätzlich besonders feine Oxide entfernt und die entstehende Krätze ist trocken und metallarm.

Reinigung und Einstellung des endgültigen Wasserstoffgehalts in der Schmelze können gleichzeitig ausgeführt werden; dabei kommt COVERAL GR 6512 zum Einsatz, welches vor der FDU Behandlung auf die Schmelze aufgestreut wird.

Die Rühr- und Pumpbewegung der FDU XSR Rotoren aktiviert das COVERAL GR 6512 und startet die exotherme Reaktion. Die feinverteilten Inertgasblasen spülen die in der Schmelze vorhandenen Oxide und weitere nichtmetallische Einschlüsse an die Schmelzeoberfläche, wo sie in der Krätzeschicht gebunden werden. Nach Ablauf der Behandlungszeit ist die Schmelze nahezu frei von Oxiden und niedriger im Wasserstoffgehalt.

Abbildung 2. Auswahl an INSURAL Pfanneneinsätzen und eine INSURAL Pfanne im Einsatz

BLU-RAM HS und TRIAD 45 AL

Obere Seitenwände,

Decke und Tür

ALUGARD CE-S

Schmelz- und

Haltezone

Abbildung 1. Schachtofen mit verschiedenen Feuerfestmaterialien für unterschiedliche Anforderungen

Abbildung 3. Schematische Darstellung eines Foseco Pumprotors

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In den letzten 10 Jahren hat die Verbreitung von Aluminiumfelgen im Fahrzeugbau stark zugenommen. Gründe dafür sind Ihr modernes Design und gutes Aussehen, aber auch die hohe Zuverlässigkeit dieser Räder. Aluminiumfelgen sollen mechanisch belastbar und leicht, stabil und robust sowie maßhaltig und geschmackvoll verarbeitet sein. Damit sind die heutigen Aluminiumfelgen ein technologisch fortschrittliches Produkt, das hohe Qualität, Zuverlässigkeit und Sicherheit bietet. Als eines der sicherheitsrelevanten Teile des Fahrzeugs (sie überträgt die Antriebs- und Bremskräfte auf die Straße), muss die Felge über ihre gesamte Lebensdauer mechanisch stabil sein, aber auch plastische Reserven aufweisen, wie beispielsweise beim Durchfahren von Schlaglöchern. Rund- und Gleichlauf sind weitere Anforderungen an eine gute Felge.

Die Kontrolle der Felge in der Gießerei umfasst deswegen Ab-messung, Legierungszusammensetzung, Härte, Korngröße und Struktur des Eutektikums, Bruchtests, Dehnung, Röntgenkontrol-le, Druckdichtigkeit und Sichtprüfung. Damit zählt die Alumini-umfelge zu den am besten überwachten Gussstücken.

Aluminiumfelgen werden überwiegend im Niederdruck-Kokillenguss gefertigt. Dieser Prozess unterteilt sich in die folgenden Schritte:

• Auswahl des Einsatzmaterials

• Schmelzen

• Warmhalten

• Schmelzetransport

• Schmelzebehandlung in der Pfanne

• Umfüllen in den Niederdruckofen

• Füllen der Kokille und Erstarren

• Entnahme des Gussstücks und Sichtprüfung

• Prüfen durch Röntgenverfahren

• Wärmebehandlung

• Bearbeiten

• Lackieren

• Drucktest und Abschlussprüfung

Foseco hat ein komplettes Programm an Produkten und Serviceleistungen entwickelt, um Gießereien in jedem der Prozessschritte die bestmögliche Unterstützung geben zu können.

Auswahl des EinsatzmaterialsZur Erreichung bester mechanischer Eigenschaften, insbesondere einer hohen Dehnung, muss besonders der Eisengehalt überwacht werden. Üblicherweise werden neben der Primärlegierung in Masselform auch Schrotte aus dem Gießprozess und Späne, die bei der mechanischen Bearbeitung anfallen, eingesetzt. Etwa 40 % der ursprünglich gegossenen Felge werden im Produktionsprozess entfernt, die entstehenden Späne haben eine große Oberfläche und stellen eine nicht zu unterschätzende Quelle für Oxide dar. Deshalb ist eine Vorbehandlung der Späne erforderlich, um ihren hohen Wert zu erhalten. Zusätzlich kommen effektive chemische Reiniger wie COVERAL* GR 6512 zum Einsatz. Nach der Reinigung der eingeschmolzenen Späne auf ein annehmbares Qualitätsniveau ist die kontrollierte Verwendung für die Herstellung neuer Felgen möglich.

SchmelzenAluminiumgießereien schmelzen heute überwiegend in Schachtschmelzöfen oder Flammöfen. Diese Öfen müssen drei Anforderungen erfüllen: Eine hohe Schmelzrate, eine hohe Energieeffizienz und das Vermeiden von Oxidbildung.

In der Schmelz- und Haltezone der Öfen kommen Feuer-festmaterialien zum Einsatz, die gut verträglich mit Aluminium-Silizium-Legierungen sind, hohe mechanische Festigkeit aufweisen, nicht benetzbar und resistent gegen Korundbildung sind. Das feuerfeste Material soll besonders beim Chargieren widerstandsfähig gegen mechanische Belastung sein und eine lange Standzeit aufweisen.

ALUGARD* CE-S ist eine hoch aluminiumoxidhaltige Gießmasse mit geringem Zementanteil, speziell für Aluminium-Silizium-Legierungen in Schachtschmelz- oder Flammöfen. Sie bietet lange Standzeiten, eine hohe Widerstandsfähigkeit gegen Korundbildung und ist einfach zu reinigen. Für Ofentüren, Ofendecke und Wände ohne Schmelzekontakt eignen sich die leichteren Massen TRIAD* 45AL und BLU-RAM* HS. Für große Reparaturen wird DURAGUN* 66AL zum Spritzen oder Verputzen empfohlen.

Die richtige Auswahl der feuerfesten Materialien ist genauso wichtig wie ihr korrektes Einbringen, nur dadurch ist eine lange Standzeit der Öfen sichergestellt. Deshalb berät Foseco die Kunden in der Planungsphase und überwacht die Durchführung von kompletten Ofenzustellungen oder Reparaturen.

Eine schnelle und korrekte Temperaturmessung in Schmelzöfen erlaubt eine optimale Ofensteuerung. Schutzrohre für Thermoelemente müssen deswegen eine hohe thermische Leitfähigkeit aufweisen; Schutzrohre aus ISO-PRIME oder 3MSILICIUMNITRID bieten darüber hinaus eine lange Standzeit im Ofen. Eine optimale Zusammenstellung von feuerfesten Materialien zusammen mit schnell reagierenden Thermoelementen liefert eine qualitativ hochwertige Schmelze als Ausgangspunkt für eine gute Felge.

SchmelzetransportNach dem Schmelzen wird das flüssige Aluminium in eine Transportpfanne überführt und vor dem Befüllen der Niederdrucköfen behandelt. Die Schmelzebehandlung um-fasst Kornfeinung, Veredlung, Reinigung und Einstellung des Wasserstoffgehalts durch Entgasen und manchmal auch nachfolgendes Begasen, sie dauert etwa 10 Minuten. In dieser Zeit muss besonders auf den Temperaturverlust geachtet werden; hohe Isolierung und leichte Reinigung des Pfannenmaterials sind daher wichtig.

Foseco bietet hier zwei Alternativen an: INSURAL* 140 wird als Formteil geliefert, welches beim Brennen auf über 700 °C erhitzt wurde. Es ist nicht durch Aluminium benetzbar und liefert zusammen mit INSURAL 10 Hinterfüllmaterial eine hohe thermische Isolierung.

Nach der Zustellung kann in Abhängigkeit der Füllmenge ein Temperaturverlust bei INSURAL 140 von etwa 3 Kelvin pro Minute gemessen werden. Der Pfanneneinsatz ist leicht zu reinigen und somit nahezu frei von Oxidanhaftungen.

INSURAL 270 kommt zum Einsatz, wenn eine sehr lange Standzeit der Pfanne gefordert ist. Dabei ist die Isolierwirkung ausreichend hoch und das Material ist besonders widerstandsfähig gegen Auswaschungen beim Befüllen.

SchmelzebehandlungEine Schmelzebehandlung in der Transportpfanne ist notwendig, um eine gleichmäßig hohe Qualität der Schmelze zu erreichen. Strontium als Veredlungsmittel beeinflusst die Struktur des Eutektikums und wirkt sich besonders auf die Dehnung im Gussteil aus. Dabei kommen entweder Masseln mit Dauerveredlung zum Einsatz oder eine Aluminium-Strontium-Vorlegierung, welche unmittelbar vor dem Entgasen zugesetzt wird. Neben der Strontiumzugabe erfolgt eine Kornfeinung mit Titan und Bor zur weiteren Optimierung der mechanischen Eigenschaften und zur Reduzierung von Schrumpfungsporositäten in Bereichen mit großer Wandstärke. Zusätzlich zu einer besseren Dehnung und konstanten mechanischen Eigenschaften verbessert die Kornfeinung auch die Widerstandsfähigkeit gegen Materialermüdung, erleichtert die Bearbeitung und reduziert die Neigung zu Warmrissbildung.

Die Kornfeinung liefert beste Ergebnisse, wenn chemische Produkte die Titandiboride in-situ in der Schmelze bilden. Tabletten wie NUCLEANT* 70SS oder NUCLEANT 100SP sind geeignete Produkte; die beste Kornfeinungswirkung erzielt man jedoch durch die Zugabe von COVERAL MTS 1582 mittels FDU Entgasungsgeräten und der automatischen Granulatzugabe MTS 1500. Neben exzellenter Kornfeinung werden zusätzlich besonders feine Oxide entfernt und die entstehende Krätze ist trocken und metallarm.

Reinigung und Einstellung des endgültigen Wasserstoffgehalts in der Schmelze können gleichzeitig ausgeführt werden; dabei kommt COVERAL GR 6512 zum Einsatz, welches vor der FDU Behandlung auf die Schmelze aufgestreut wird.

Die Rühr- und Pumpbewegung der FDU XSR Rotoren aktiviert das COVERAL GR 6512 und startet die exotherme Reaktion. Die feinverteilten Inertgasblasen spülen die in der Schmelze vorhandenen Oxide und weitere nichtmetallische Einschlüsse an die Schmelzeoberfläche, wo sie in der Krätzeschicht gebunden werden. Nach Ablauf der Behandlungszeit ist die Schmelze nahezu frei von Oxiden und niedriger im Wasserstoffgehalt.

Abbildung 2. Auswahl an INSURAL Pfanneneinsätzen und eine INSURAL Pfanne im Einsatz

BLU-RAM HS und TRIAD 45 AL

Obere Seitenwände,

Decke und Tür

ALUGARD CE-S

Schmelz- und

Haltezone

Abbildung 1. Schachtofen mit verschiedenen Feuerfestmaterialien für unterschiedliche Anforderungen

Abbildung 3. Schematische Darstellung eines Foseco Pumprotors


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Ausgabe 264

Die MTS 1500 automatische Schmelzebehandlungsstation ist die konsequente Weiterentwicklung der chemischen Reinigung von Aluminiumschmelzen. Der hocheffektive MTS FDR Rotor bildet zu Beginn der Entgasung einen sorgfältig kontrollierten Strudel am Schaft, während die Prallplatte deaktiviert ist. Das speziell für diesen Prozess entwickelte COVERAL MTS 1565 wird direkt in den Strudel dosiert und sofort in die Schmelze eingezogen, wo es fast vollständig mit der Schmelze reagiert. Nach weniger als 60 Sekunden wird die Prallplatte aktiviert und der Strudel unterbunden.

Nach der Granulatzugabe wird weiter entgast, wobei die Oxidentfernung durch das vorher eingebrachte Granulat wesentlich unterstützt wird. Eine chemische Reinigung mit MTS 1500 ist deswegen viel effektiver als nur die FDU Entgasungsbehandlung.

Insbesondere die Verwendung des chemischen Kornfeiners COVERAL MTS 1582 ersetzt eine Behandlung mit COVERAL MTS 1565 und bietet eine komplette Behandlung in einem Schritt bei hochwertiger Schmelze und geringem Metallverlust in der Krätze (Abbildung 6).

Die THERMATEST* Thermoanalyse wird zur Überprüfung der Veredlung und Kornfeinung eingesetzt. Mittels einer Abkühlkurve werden der Veredlungsindex – maximal Index 5 – und der Kornfeinungsindex – maximal Index 9 – ermittelt. Die Thermoanalyse ist eine effektive Methode zur Überwachung des Behandlungserfolges.

Schwindung ist ein weitverbreitetes Problem besonders bei der Herstellung von Aluminiumfelgen, weswegen ein bestimmter Mindestgehalt an Wasserstoff gefordert ist. Die Mindestbehandlungszeit muss jedoch eingehalten werden, um die Oxidentfernung zu gewährleisten, wodurch auch mehr Wasserstoff als notwendig entfernt wird. Am Ende der Entgasungsbehandlung sind entsprechend ausgelegte FDU Geräte in der Lage, für eine kurze Zeit Formiergas, ein N

2-H

2-Gemisch, zuzugeben. Dieser Wasserstoffgehalt in der

Schmelze scheidet sich feinstverteilt im Gussstück aus und kompensiert Schwindung.

Die Verwendung von kundenspezifi sch programmierbaren FDU oder MTS 1500 Geräten ermöglicht so die kontrollierte und reproduzierbare Behandlung von Aluminiumschmelzen.Abbildung 6. Trockene Krätze nach einer MTS 1500 Behandlung

Abbildung 4. Zugabe von COVERAL MTS 1565 in den Strudel einer MTS 1500 Behandlung

Abbildung 5. Vergleich der relativen Effektivität einer Reinigung mit FDU und MTS 1500

Abbildung 7. Metallhaltige Krätze bei einer Standardentgasung

Abbildung 8. Reduzierter Metallverlust nach Zugabe von COVERAL MTS 1565

Abbildung 9. Vor der Behandlung

Abbildung 10. Nach der Behandlung mit COVERAL MTS 1582

• Legierung:AlSi7Mg0,3

• Titangehalt:0,11%

• Strontiumgehalt:107ppm

• Kornfeinungsindex=3

• Zugabe von COVERAL MTS 1582 = 0,07 % derSchmelzemenge

• 30SekundenReaktionszeit

• 7 Minuten Gesamtbehand-lungszeit

• KaumAbbrandanStrontium


AlSi7Mg vor der Behandlung

AlSi7Mg, 10 Minuten nach FDU

AlSi7Mg, 10 Minuten nach

MTS 1500

Einsc

hlussi

ndex

Merk

male

0,5 -

2,5 µm

2,5 -

5,0 µm

5,0 -

15 µm

15 -

30 µm

30 -

75 µm

> 75 µ

m

Anz

ahl

1 cm

1 cm

UmfüllenNach der Schmelzebehandlung in der Transportpfanne wird die Legierung in den Niederdruckofen umgefüllt und ist fertig zum Vergießen. Dieser Prozessschritt kann einen hohen Einfluss auf die Schmelzequalität haben, insbesondere wenn sehr turbulent umgefüllt wird. Dadurch entstehen neue Oxide und Wasserstoff geht in Lösung. Die speziell für Niederdrucköfen entwickelten INSURAL 140 Einfülltrichter bieten eine Alternative zum un-kontrollierten Befüllen des Ofens.

Niederdruck-GießofenDie erwartete Standzeit bei diesen Öfen liegt bei bis zu sieben Jahren und länger, wodurch der Auswahl geeigneter Feuerfestprodukte eine große Bedeutung zukommt. ALUGARD A95 kommt seit vielen Jahren bei diesen Öfen zum Einsatz, um Oxidanhaftungen und nachfolgende Bildung von Korund zu unterbinden. Wenn ALUGARD A95 zusammen mit einer hochisolierenden Masse verwendet wird, sind Oberflächentemperaturen an der Stahlaußenwand der Öfen von unter 65 °C erreichbar. Die niedrige Außentemperatur ist auch ein Zeichen von geringem Wärmeverlust.

Alternativ zu Gießmassen können auch vorgebrannte Formteile aus INSURAL 270 zum Einsatz kommen. Nach dem Ausbrechen des Ofens kann die neue Ofenwanne sehr schnell montiert werden, und der Ofen ist nach kürzester Zeit wieder einsatzbereit. Für den oberen Teil des Ofens, welcher keinen Kontakt mit der Schmelze hat, bietet sich die isolierende Masse LITEWATE* 80 AL an.

Niederdruck-Gießöfen sind überwiegend elektrisch-widerstandsbeheizt. Zur Verlängerung der Standzeit der Heizelemente können diese mit einem wärmeleitfähigen Schutzrohr überzogen werden. ISO-PRIME Heizelement-Schutzrohre sind hoch wärmeleitend und geben die Energie schnell an die Ofenatmosphäre ab. Dabei schützen sie die Heizelemente vor mechanischer Beschädigung, Metallspritzern und chemischen Angriffen beim Betrieb oder während der Ofenreinigung. Der Einsatz von ISO-PRIME Heizelement-Schutzrohren erhöht die Standzeit der Heizelemente und reduziert damit die laufenden Kosten des Ofens.

Eine konstante Temperaturführung im Ofen erfordert Thermoelemente und Schutzrohre mit kurzer Reaktionszeit. ISO-PRIME Thermoelement-Schutzrohre sind eine bewährte Lösung für Niederdruck-Gießöfen.

Der Füll- und Erstarrungsprozess sowie die Speisung während der Erstarrung in der Kokille bedingen ein druckdichtes und stabiles Steigrohr. Die beiden auf Siliziumdioxid basierenden Materialien ZYAROCK* und ZYACAST erfüllen diese Anforderungen sehr gut. Diese Steigrohre können optional am Boden mit einem SEDEX* oder STELEX* ZR Schaumkeramikfilter versehen werden, wodurch Oxide vom Ofenboden zurückgehalten werden.

Gießen Oberhalb des Steigrohres besteht die Möglichkeit zum Einsatz isolierender Materialien; INSURAL 140 ist sehr gut geeignet für diese Anwendung. Der Einsatz isolierender Komponenten zwischen Steigrohr und Kokille ermöglicht die Steigerung der Wasserkühlung in der Kokille, um dem Gussteil beim Erstarren Wärme zu entziehen. Der für die Speisung maßgebliche Bereich bleibt durch die Isolierung jedoch länger flüssig. Die Zykluszeit lässt sich deutlich reduzieren und die Qualität der Felgen wird erhöht.

LITEWATE 80 AL

ISO-Prime Heizele-ment-Schutzrohre

ALUGARD A95 oder INSURAL 270

ZYACAST LPS RohrZYAROCK LPS Rohr

Abbildung 13. Typische INSURAL 50 Einsätze

Abbildung 11. Niederdruck-Gießofen mit unterschiedlichen feuerfesten Materialien, Steigrohr und Heizelement-Schutzrohren

Abbildung 12. Aufbau des Zwischenstücks

Niederdruck-Kokillenguss

Kokille

Stahlrohr

Abdeckung

Filtersitz

INSURAL Angussbüchse

INSURAL Zwischenrohr

Dichtungsring

Steigrohr

Kokille

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Die MTS 1500 automatische Schmelzebehandlungsstation ist die konsequente Weiterentwicklung der chemischen Reinigung von Aluminiumschmelzen. Der hocheffektive MTS FDR Rotor bildet zu Beginn der Entgasung einen sorgfältig kontrollierten Strudel am Schaft, während die Prallplatte deaktiviert ist. Das speziell für diesen Prozess entwickelte COVERAL MTS 1565 wird direkt in den Strudel dosiert und sofort in die Schmelze eingezogen, wo es fast vollständig mit der Schmelze reagiert. Nach weniger als 60 Sekunden wird die Prallplatte aktiviert und der Strudel unterbunden.

Nach der Granulatzugabe wird weiter entgast, wobei die Oxidentfernung durch das vorher eingebrachte Granulat wesentlich unterstützt wird. Eine chemische Reinigung mit MTS 1500 ist deswegen viel effektiver als nur die FDU Entgasungsbehandlung.

Insbesondere die Verwendung des chemischen Kornfeiners COVERAL MTS 1582 ersetzt eine Behandlung mit COVERAL MTS 1565 und bietet eine komplette Behandlung in einem Schritt bei hochwertiger Schmelze und geringem Metallverlust in der Krätze (Abbildung 6).

Die THERMATEST* Thermoanalyse wird zur Überprüfung der Veredlung und Kornfeinung eingesetzt. Mittels einer Abkühlkurve werden der Veredlungsindex – maximal Index 5 – und der Kornfeinungsindex – maximal Index 9 – ermittelt. Die Thermoanalyse ist eine effektive Methode zur Überwachung des Behandlungserfolges.

Schwindung ist ein weitverbreitetes Problem besonders bei der Herstellung von Aluminiumfelgen, weswegen ein bestimmter Mindestgehalt an Wasserstoff gefordert ist. Die Mindestbehandlungszeit muss jedoch eingehalten werden, um die Oxidentfernung zu gewährleisten, wodurch auch mehr Wasserstoff als notwendig entfernt wird. Am Ende der Entgasungsbehandlung sind entsprechend ausgelegte FDU Geräte in der Lage, für eine kurze Zeit Formiergas, ein N

2-H

2-Gemisch, zuzugeben. Dieser Wasserstoffgehalt in der

Schmelze scheidet sich feinstverteilt im Gussstück aus und kompensiert Schwindung.

Die Verwendung von kundenspezifi sch programmierbaren FDU oder MTS 1500 Geräten ermöglicht so die kontrollierte und reproduzierbare Behandlung von Aluminiumschmelzen.Abbildung 6. Trockene Krätze nach einer MTS 1500 Behandlung

Abbildung 4. Zugabe von COVERAL MTS 1565 in den Strudel einer MTS 1500 Behandlung

Abbildung 5. Vergleich der relativen Effektivität einer Reinigung mit FDU und MTS 1500

Abbildung 7. Metallhaltige Krätze bei einer Standardentgasung

Abbildung 8. Reduzierter Metallverlust nach Zugabe von COVERAL MTS 1565

Abbildung 9. Vor der Behandlung

Abbildung 10. Nach der Behandlung mit COVERAL MTS 1582

• Legierung:AlSi7Mg0,3

• Titangehalt:0,11%

• Strontiumgehalt:107ppm


• Zugabe von COVERAL MTS 1582 = 0,07 % derSchmelzemenge

• 30SekundenReaktionszeit

• 7 Minuten Gesamtbehand-lungszeit

• KaumAbbrandanStrontium


AlSi7Mg vor der Behandlung

AlSi7Mg, 10 Minuten nach FDU

AlSi7Mg, 10 Minuten nach

MTS 1500

Einsc

hlussi

ndex

Merk

male

0,5 -

2,5 µm

2,5 -

5,0 µm

5,0 -

15 µm

15 -

30 µm

30 -

75 µm

> 75 µ

m

Anz

ahl

1 cm

1 cm

UmfüllenNach der Schmelzebehandlung in der Transportpfanne wird die Legierung in den Niederdruckofen umgefüllt und ist fertig zum Vergießen. Dieser Prozessschritt kann einen hohen Einfluss auf die Schmelzequalität haben, insbesondere wenn sehr turbulent umgefüllt wird. Dadurch entstehen neue Oxide und Wasserstoff geht in Lösung. Die speziell für Niederdrucköfen entwickelten INSURAL 140 Einfülltrichter bieten eine Alternative zum un-kontrollierten Befüllen des Ofens.

Niederdruck-GießofenDie erwartete Standzeit bei diesen Öfen liegt bei bis zu sieben Jahren und länger, wodurch der Auswahl geeigneter Feuerfestprodukte eine große Bedeutung zukommt. ALUGARD A95 kommt seit vielen Jahren bei diesen Öfen zum Einsatz, um Oxidanhaftungen und nachfolgende Bildung von Korund zu unterbinden. Wenn ALUGARD A95 zusammen mit einer hochisolierenden Masse verwendet wird, sind Oberflächentemperaturen an der Stahlaußenwand der Öfen von unter 65 °C erreichbar. Die niedrige Außentemperatur ist auch ein Zeichen von geringem Wärmeverlust.

Alternativ zu Gießmassen können auch vorgebrannte Formteile aus INSURAL 270 zum Einsatz kommen. Nach dem Ausbrechen des Ofens kann die neue Ofenwanne sehr schnell montiert werden, und der Ofen ist nach kürzester Zeit wieder einsatzbereit. Für den oberen Teil des Ofens, welcher keinen Kontakt mit der Schmelze hat, bietet sich die isolierende Masse LITEWATE* 80 AL an.

Niederdruck-Gießöfen sind überwiegend elektrisch-widerstandsbeheizt. Zur Verlängerung der Standzeit der Heizelemente können diese mit einem wärmeleitfähigen Schutzrohr überzogen werden. ISO-PRIME Heizelement-Schutzrohre sind hoch wärmeleitend und geben die Energie schnell an die Ofenatmosphäre ab. Dabei schützen sie die Heizelemente vor mechanischer Beschädigung, Metallspritzern und chemischen Angriffen beim Betrieb oder während der Ofenreinigung. Der Einsatz von ISO-PRIME Heizelement-Schutzrohren erhöht die Standzeit der Heizelemente und reduziert damit die laufenden Kosten des Ofens.

Eine konstante Temperaturführung im Ofen erfordert Thermoelemente und Schutzrohre mit kurzer Reaktionszeit. ISO-PRIME Thermoelement-Schutzrohre sind eine bewährte Lösung für Niederdruck-Gießöfen.

Der Füll- und Erstarrungsprozess sowie die Speisung während der Erstarrung in der Kokille bedingen ein druckdichtes und stabiles Steigrohr. Die beiden auf Siliziumdioxid basierenden Materialien ZYAROCK* und ZYACAST erfüllen diese Anforderungen sehr gut. Diese Steigrohre können optional am Boden mit einem SEDEX* oder STELEX* ZR Schaumkeramikfilter versehen werden, wodurch Oxide vom Ofenboden zurückgehalten werden.

Gießen Oberhalb des Steigrohres besteht die Möglichkeit zum Einsatz isolierender Materialien; INSURAL 140 ist sehr gut geeignet für diese Anwendung. Der Einsatz isolierender Komponenten zwischen Steigrohr und Kokille ermöglicht die Steigerung der Wasserkühlung in der Kokille, um dem Gussteil beim Erstarren Wärme zu entziehen. Der für die Speisung maßgebliche Bereich bleibt durch die Isolierung jedoch länger flüssig. Die Zykluszeit lässt sich deutlich reduzieren und die Qualität der Felgen wird erhöht.

LITEWATE 80 AL

ISO-Prime Heizele-ment-Schutzrohre

ALUGARD A95 oder INSURAL 270

ZYACAST LPS RohrZYAROCK LPS Rohr

Abbildung 13. Typische INSURAL 50 Einsätze

Abbildung 11. Niederdruck-Gießofen mit unterschiedlichen feuerfesten Materialien, Steigrohr und Heizelement-Schutzrohren

Abbildung 12. Aufbau des Zwischenstücks

Niederdruck-Kokillenguss

Kokille

Stahlrohr

Abdeckung

Filtersitz

INSURAL Angussbüchse

INSURAL Zwischenrohr

Dichtungsring

Steigrohr

Kokille


6

Ausgabe 264

Unmittelbar unterhalb der Kokille eingesetzte Filter kontrollieren den Schmelzefluss und halten Oxide zurück. Schaumkeramikfilter wie SIVEX* FC übernehmen diese Aufgabe, sie sind außerdem sehr leicht und können beim Wiederaufschmelzen des Angusses leicht abgezogen werden.

Die Kokille selbst ist geschlichtet, um eine gute Formfüllung und beste thermische Bedingungen beim Erstarren zu gewährleisten. Für eine glatte Oberfläche an der Frontfläche der Felge kommt DYCOTE* 39 zum Einsatz, DYCOTE 3900 oder DYCOTE 3950 haben ähnliche Funktion bei längerer Standzeit.

DYCOTE 34 für die weiteren Bereiche der Kokille ist stärker isolierend. Alle DYCOTE Deckschlichten können mit einer Grundierung wie DYCOTE DR 87 für eine längere Standzeit eingesetzt werden. Alle Schlichten lassen sich ohne großen Aufwand in konstanter Qualität im DYCOTE CARRY and MIX zubereiten und über einen längeren Zeitraum anwendungsfähig halten.

SchlussfolgerungenDie wichtigsten Merkmale für den Niederdruck-Kokillenguss-Prozess sind:

• Produktivität

• Energieverbrauch

• Metallausbeute

Das Gussstück selber ist gekennzeichnet durch:

• Oberflächenqualität

• MechanischeEigenschaften

• Dichtigkeit

• Poren-undOxidgehalt

• GuteBearbeitbarkeit

Alle in diesem Artikel genannten Produkte sind besonders für den Einsatz im Niederdruckguss-Prozess geeignet und beeinflussen die Gussteilqualität positiv. Damit tragen sie wesentlich zum wirtschaftlichen Erfolg der Gießerei bei. Foseco führt auch weiterhin Forschungs- und Entwicklungsprojekte im Bereich Niederdruck-Kokillenguss durch, um den Gießereien innovative Produkte und verbesserten Service bieten zu können, die direkt auf ihre Anforderungen zugeschnitten sind.

ENERTEK - Energieeffi zienz von Schmelztiegeln

EinleitungENERTEK Schmelztiegel sind in den meisten Standardformen und Größen erhältlich und können in fast allen Tiegelöfen ohne Änderung der bestehenden Verfahren eingesetzt werden. Kundenspezifi sche Lösungen sind ebenfalls möglich und werden wahlweise mit Untersatz und Thermoelement-Schutzrohr geliefert.

ENERTEK Schmelztiegel sind besonders zum Warmhalten von Aluminium in elektrischen Widerstandsöfen geeignet, aber auch zum Schmelzen von Aluminium in gasbeheizten Öfen.

Selbst relativ kleine Unterschiede in der Energieeffi zienz können zu einer erheblichen Energiekosteneinsparung im Verhältnis zu den Kosten des Schmelztiegels führen.

ENERTEK Tiegel wurden speziell dazu entwickelt, die Wärme-leitfähigkeit zu maximieren und höchste Energieeffi zienz beim Warmhalten von Aluminium zu erreichen. Leistungsunterschiede im Vergleich zu Wettbewerbsprodukten variieren je nach Quali-tät des Materials, aus dem diese Tiegel hergestellt sind, liegen aber in der Regel zwischen 5 und 15 %.

Die folgende Tabelle gibt eine Übersicht über die besonderen Eigenschaften der Forschungs- und Entwicklungsmethoden von Foseco und die daraus resultierenden Vorteile der ENERTEK Tiegel.

Methode: Vorteil:

Analyse und Modellierung der thermischen Leitfähigkeit sowie der spezifi schen Wärmekapazität führen zu detaillierten Kenntnissen im Bereich Tiegelkonstruktion und –herstellung. Geringerer

Energieverbrauch beim Schmelzen und Warmhalten

Hochwertigste Feuerfestmaterialien wurden ausgewählt, um die Wärmeleitfähigkeit bei jeder Anwendung zu maximieren.

Isostatisches Pressen in Verbindung mit der richtigen Werkstoffauswahl gewährleistet eine maximale Dichte und sorgfältige Verarbeitung.

Entwicklung von Feuerfestmaterialien, die den Anwendungs- und Alterungsprozessen standhalten, welche die Wärmeleitfähigkeit verringern.

Minimaler Verlust der Wärmeleitfähigkeit über die Zeit

Beachtung der richtigen Balance zwischen Wärmeleitfähigkeit und Stabilität des Feuerfestmaterials im Alterungsprozess.

Maximale Lebensdauer bei minimalem Energieverbrauch

Die Senkung des Energieverbrauchs resultiert in einer reduzierten Treibhausgasbilanz.

Ökologischer Vorteil

Bild 1: ENERTEK Schmelztiegel verbrauchen in den ersten 3 Monaten 5,5 % weniger Energie als herkömmliche Tiegel

05000

1000015000200002500030000350004000045000

Energy consumption ENERTEK vs Conventional Crucible

ENERTEK KWh Conventional KWh

Made in Germany

*trade mark of the Vesuvius Group, registered in certain countries, used under licenseRGBGrey : 75 / 75 / 77 Red : 216 / 30 / 5

ENERTEK*Made in Germany

*trade mark of the Vesuvius Group, registered in certain countries, used under license

RGBGrey : 75 / 75 / 77 Red : 216 / 30 / 5

ENERTEK*

Vergleich des Energieverbrauchs von ENERTEK gegenüber konventionellen Tiegeln

7

CMYKGrey : 0 / 0 / 0 /85Red : 0 / 100 / 96 / 0

Unmittelbar unterhalb der Kokille eingesetzte Filter kontrollieren den Schmelzefluss und halten Oxide zurück. Schaumkeramikfilter wie SIVEX* FC übernehmen diese Aufgabe, sie sind außerdem sehr leicht und können beim Wiederaufschmelzen des Angusses leicht abgezogen werden.

Die Kokille selbst ist geschlichtet, um eine gute Formfüllung und beste thermische Bedingungen beim Erstarren zu gewährleisten. Für eine glatte Oberfläche an der Frontfläche der Felge kommt DYCOTE* 39 zum Einsatz, DYCOTE 3900 oder DYCOTE 3950 haben ähnliche Funktion bei längerer Standzeit.

DYCOTE 34 für die weiteren Bereiche der Kokille ist stärker isolierend. Alle DYCOTE Deckschlichten können mit einer Grundierung wie DYCOTE DR 87 für eine längere Standzeit eingesetzt werden. Alle Schlichten lassen sich ohne großen Aufwand in konstanter Qualität im DYCOTE CARRY and MIX zubereiten und über einen längeren Zeitraum anwendungsfähig halten.

SchlussfolgerungenDie wichtigsten Merkmale für den Niederdruck-Kokillenguss-Prozess sind:

• Produktivität

• Energieverbrauch

• Metallausbeute

Das Gussstück selber ist gekennzeichnet durch:

• Oberflächenqualität

• MechanischeEigenschaften

• Dichtigkeit

• Poren-undOxidgehalt

• GuteBearbeitbarkeit

Alle in diesem Artikel genannten Produkte sind besonders für den Einsatz im Niederdruckguss-Prozess geeignet und beeinflussen die Gussteilqualität positiv. Damit tragen sie wesentlich zum wirtschaftlichen Erfolg der Gießerei bei. Foseco führt auch weiterhin Forschungs- und Entwicklungsprojekte im Bereich Niederdruck-Kokillenguss durch, um den Gießereien innovative Produkte und verbesserten Service bieten zu können, die direkt auf ihre Anforderungen zugeschnitten sind.

ENERTEK - Energieeffi zienz von Schmelztiegeln

EinleitungENERTEK Schmelztiegel sind in den meisten Standardformen und Größen erhältlich und können in fast allen Tiegelöfen ohne Änderung der bestehenden Verfahren eingesetzt werden. Kundenspezifi sche Lösungen sind ebenfalls möglich und werden wahlweise mit Untersatz und Thermoelement-Schutzrohr geliefert.

ENERTEK Schmelztiegel sind besonders zum Warmhalten von Aluminium in elektrischen Widerstandsöfen geeignet, aber auch zum Schmelzen von Aluminium in gasbeheizten Öfen.

Selbst relativ kleine Unterschiede in der Energieeffi zienz können zu einer erheblichen Energiekosteneinsparung im Verhältnis zu den Kosten des Schmelztiegels führen.

ENERTEK Tiegel wurden speziell dazu entwickelt, die Wärme-leitfähigkeit zu maximieren und höchste Energieeffi zienz beim Warmhalten von Aluminium zu erreichen. Leistungsunterschiede im Vergleich zu Wettbewerbsprodukten variieren je nach Quali-tät des Materials, aus dem diese Tiegel hergestellt sind, liegen aber in der Regel zwischen 5 und 15 %.

Die folgende Tabelle gibt eine Übersicht über die besonderen Eigenschaften der Forschungs- und Entwicklungsmethoden von Foseco und die daraus resultierenden Vorteile der ENERTEK Tiegel.

Methode: Vorteil:

Analyse und Modellierung der thermischen Leitfähigkeit sowie der spezifi schen Wärmekapazität führen zu detaillierten Kenntnissen im Bereich Tiegelkonstruktion und –herstellung. Geringerer

Energieverbrauch beim Schmelzen und Warmhalten

Hochwertigste Feuerfestmaterialien wurden ausgewählt, um die Wärmeleitfähigkeit bei jeder Anwendung zu maximieren.

Isostatisches Pressen in Verbindung mit der richtigen Werkstoffauswahl gewährleistet eine maximale Dichte und sorgfältige Verarbeitung.

Entwicklung von Feuerfestmaterialien, die den Anwendungs- und Alterungsprozessen standhalten, welche die Wärmeleitfähigkeit verringern.

Minimaler Verlust der Wärmeleitfähigkeit über die Zeit

Beachtung der richtigen Balance zwischen Wärmeleitfähigkeit und Stabilität des Feuerfestmaterials im Alterungsprozess.

Maximale Lebensdauer bei minimalem Energieverbrauch

Die Senkung des Energieverbrauchs resultiert in einer reduzierten Treibhausgasbilanz.

Ökologischer Vorteil

Bild 1: ENERTEK Schmelztiegel verbrauchen in den ersten 3 Monaten 5,5 % weniger Energie als herkömmliche Tiegel

05000

1000015000200002500030000350004000045000

Energy consumption ENERTEK vs Conventional Crucible

ENERTEK KWh Conventional KWh

Made in Germany

*trade mark of the Vesuvius Group, registered in certain countries, used under licenseRGBGrey : 75 / 75 / 77 Red : 216 / 30 / 5

ENERTEK*Made in Germany

*trade mark of the Vesuvius Group, registered in certain countries, used under license

RGBGrey : 75 / 75 / 77 Red : 216 / 30 / 5

ENERTEK*

Vergleich des Energieverbrauchs von ENERTEK gegenüber konventionellen Tiegeln

ENERTEK - Energieeffizienz von Schm

elztiegeln

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Ausgabe 264

Haltbarkeit und KostenSchmelztiegel werden oft als Verbrauchsartikel angesehen, bei dem Kunden ihre Kaufentscheidung in erster Linie nach dem Kaufpreis und weniger nach der Leistung fällen. Wenn ein Leistungsparameter bei der Kaufentscheidung eine Rolle spielt, ist es meistens die Haltbarkeit des Tiegels.

Die wichtigste Kenngröße mit dem größten Einfl uss auf die Gießereikosten ist jedoch die thermische Leistung, da der Energieverbrauch eines Schmelztiegels, über seine Lebensdauer gesehen, ein Vielfaches seines ursprünglichen Kaufpreis betragen kann.

Generell verringert sich die Energieeffi zienz von Schmelztiegeln mit zunehmender Alterung. Dieses Phänomen kann durch sorgfältige Auswahl der Herstellungsparameter des Tiegels zwar gesteuert, aber nicht verhindert werden. Durch umfangreiche Forschungs- und Entwicklungsarbeit ist es Foseco aber gelungen, durch die Balance von Lebensdauer und maximaler Energieeffi zienz eine hohe Kosteneinsparung zu erzielen.

TemperaturverhaltenEin weiterer wichtiger Faktor für die Gießerei ist eine präzise Tem-peraturkontrolle in Warmhalteöfen während des Gießprozesses.

Ein Tiegel mit höherem thermischen Wirkungsgrad hat nicht nur positive Auswirkungen auf die Energiekosten, sondern bietet auch den Vorteil einer konstanteren Metalltemperatur im Warmhalteofen.

Das folgende Beispiel zeigt die Temperaturverteilung in einem widerstandsbeheizten, elektrischen Warmhalteofen mit einer konstanten Einstellung der Aluminiumtemperatur von 677 °C.

Da die geringere Wärmeleitfähigkeit des Tiegelmaterials die Wärmereaktion der Metalltemperatur im Inneren des Schmelztiegels verlangsamt (Thermoelement T/C - in Bild 4 in blau dargestellt), ist das Delta der Flüssigmetalltemperatur bei 42 °C. Beim ENERTEK Tiegel mit höherer Leitfähigkeit hingegen ist das Delta der Flüssigtemperatur nur 26 °C bei gleichen Einstellungen.

Die verbesserte Temperaturkontrolle kann zu einer Reduzierung von temperaturbedingten Gießproblemen führen wie z.B.

• weniger Innenlunker,

• weniger Undichtigkeitsprobleme,

• weniger Kaltlauf.

Bild 3: Testaufbau

CHAMBER

IMMERSION

TOP RIM

Bild 4: Temperaturverteilung mit ENERTEK Tiegel

29,31 kVA

83 °C

26 °C

41,87 kVA

107 °C

42 °C

Bild 5: Temperaturverteilung mit konventionellem Tiegel

Immersion T/C Chamber T/C Top Rim T/C Energy (kVA)


T= 42 °C

T= 26 °C

Bild 2: Ein um 5,5 % geringerer Energieverbrauch entspricht hier einer Einsparung von 222 € in den ersten 3 Monaten.

3.700 €

3.750 €

3.800 €

3.850 €

3.900 €

3.950 €

4.000 €

4.050 €

4.100 €

Enertek Conventional

Total Energy costs Enertek vs Conventional CrucibleVergleich der Gesamtenergiekosten von ENERTEK mit einem konventionellen Tiegel 50 mm vertikale Bohrung in Tiegel-rand (mittig)

~200 mm vom oberen Rand; zwischen Heiz-elementen und Tiegel

ENERTEK

Fallstudie 1Gießerei: Aluminium Kokillengießerei

Tiegelkapazität:

• 1.000 kg Aluminium

Anwendung:

• Warmhalten von Aluminium im elektrisch beheizten Wider-standsofen. Zwei Öfen für eine automatisierte Gießzelle

Problem:

• Reduzierung des Energieverbrauchs und Verbesserung der Energiebilanz

Verbesserung:

• Ein 13,4 % niedriger Energieverbrauch bei gleichem Produk-tionsvolumen konnte durch die bessere Energieeffizienz des ENERTEK Tiegels nachgewiesen werden.

Eine Gesamteinsparung von mehr als 1.200 € pro Ofen und Jahr wurde mit ENERTEK Tiegeln erreicht.

Vorteile für die Umwelt

• Die entsprechende Einsparung von 7.993 kg CO2-Emissionen

pro Jahr wurde erreicht.


Tiegelkapazität:

• 900 kg Aluminium

Anwendung:

• Warmhalten von Aluminium im elektrisch beheizten Wider-standsofen

Problem:

• Steigende Energiekosten

Verbesserung:


• Der ENERTEK Tiegel verbrauchte über die gesamte Lebensdauer von 12 Monaten weniger Energie. Die Gesamteinsparung der Kosten belaufen sich auf 315 € pro Tiegel (bei Kosten von 0,06 € pro KW/h in dieser Gießerei).

ZusammenfassungENERTEK Tiegel haben folgende Vorteile gegenüber herkömmlichen Tiegeln:

• Optimale Energieeffizienz für niedrigeren Energieverbrauch und damit verbundenen Kosteneinsparungen

• Gleichbleibende und lange Haltbarkeit

• Schnellere Schmelzzeiten ohne negativen Einfluss auf die Schmelzequalität

• CO2-Emissionen können verringert werden

• Konstantere Schmelzetemperatur im Warmhaltebetrieb

• Verbesserte Temperaturkontolle im Warmhaltebetrieb

Bild 6: Wöchentliche und summierte Energieeinsparung in € pro Ofen

- €

50,00 €

100,00 €

150,00 €

200,00 €

250,00 €

300,00 €

350,00 €

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13

Energy Saving per Furnace with ENERTEK - 3 Month Periode

Energy Saving per Week Energy Saving Total

Bild 7: Energieverbrauch über 12 Monate im Vergleich

0

20

40

60

80

100

120

140

0 50 100 150 200 250 300 350 400

Thou

send

of K

Wh

Number of days in operation

ENERTEK vs Standard crucible

Standard ENERTEKBild 5: Gesamtenergieverbrauch über die Lebensdauer des Tiegels im Vergleich

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13

Case 1 - ENERTEK vs Standard Crucible

Standard ENERTEK

Fall 1 - ENERTEK vs. Standardtiegel

Energieeinsparung pro Ofen mit ENERTEK - Zeitraum: 3 Monate

ENERTEK vs. Standardtiegel

Anzahl der Tage

x100

0 K

W/h

Energieeinsparung pro Woche

Energieeinsparung gesamt

9

Haltbarkeit und KostenSchmelztiegel werden oft als Verbrauchsartikel angesehen, bei dem Kunden ihre Kaufentscheidung in erster Linie nach dem Kaufpreis und weniger nach der Leistung fällen. Wenn ein Leistungsparameter bei der Kaufentscheidung eine Rolle spielt, ist es meistens die Haltbarkeit des Tiegels.

Die wichtigste Kenngröße mit dem größten Einfl uss auf die Gießereikosten ist jedoch die thermische Leistung, da der Energieverbrauch eines Schmelztiegels, über seine Lebensdauer gesehen, ein Vielfaches seines ursprünglichen Kaufpreis betragen kann.

Generell verringert sich die Energieeffi zienz von Schmelztiegeln mit zunehmender Alterung. Dieses Phänomen kann durch sorgfältige Auswahl der Herstellungsparameter des Tiegels zwar gesteuert, aber nicht verhindert werden. Durch umfangreiche Forschungs- und Entwicklungsarbeit ist es Foseco aber gelungen, durch die Balance von Lebensdauer und maximaler Energieeffi zienz eine hohe Kosteneinsparung zu erzielen.

TemperaturverhaltenEin weiterer wichtiger Faktor für die Gießerei ist eine präzise Tem-peraturkontrolle in Warmhalteöfen während des Gießprozesses.

Ein Tiegel mit höherem thermischen Wirkungsgrad hat nicht nur positive Auswirkungen auf die Energiekosten, sondern bietet auch den Vorteil einer konstanteren Metalltemperatur im Warmhalteofen.

Das folgende Beispiel zeigt die Temperaturverteilung in einem widerstandsbeheizten, elektrischen Warmhalteofen mit einer konstanten Einstellung der Aluminiumtemperatur von 677 °C.

Da die geringere Wärmeleitfähigkeit des Tiegelmaterials die Wärmereaktion der Metalltemperatur im Inneren des Schmelztiegels verlangsamt (Thermoelement T/C - in Bild 4 in blau dargestellt), ist das Delta der Flüssigmetalltemperatur bei 42 °C. Beim ENERTEK Tiegel mit höherer Leitfähigkeit hingegen ist das Delta der Flüssigtemperatur nur 26 °C bei gleichen Einstellungen.

Die verbesserte Temperaturkontrolle kann zu einer Reduzierung von temperaturbedingten Gießproblemen führen wie z.B.

• weniger Innenlunker,

• weniger Undichtigkeitsprobleme,

• weniger Kaltlauf.

Bild 3: Testaufbau

CHAMBER

IMMERSION

TOP RIM

Bild 4: Temperaturverteilung mit ENERTEK Tiegel

29,31 kVA

83 °C

26 °C

41,87 kVA

107 °C

42 °C

Bild 5: Temperaturverteilung mit konventionellem Tiegel



T= 42 °C

T= 26 °C

Bild 2: Ein um 5,5 % geringerer Energieverbrauch entspricht hier einer Einsparung von 222 € in den ersten 3 Monaten.

3.700 €

3.750 €

3.800 €

3.850 €

3.900 €

3.950 €

4.000 €

4.050 €

4.100 €

Enertek Conventional

Total Energy costs Enertek vs Conventional CrucibleVergleich der Gesamtenergiekosten von ENERTEK mit einem konventionellen Tiegel 50 mm vertikale Bohrung in Tiegel-rand (mittig)

~200 mm vom oberen Rand; zwischen Heiz-elementen und Tiegel

ENERTEK


Tiegelkapazität:

• 1.000 kg Aluminium

Anwendung:

• Warmhalten von Aluminium im elektrisch beheizten Wider-standsofen. Zwei Öfen für eine automatisierte Gießzelle

Problem:

• Reduzierung des Energieverbrauchs und Verbesserung der Energiebilanz

Verbesserung:


Eine Gesamteinsparung von mehr als 1.200 € pro Ofen und Jahr wurde mit ENERTEK Tiegeln erreicht.

Vorteile für die Umwelt

• Die entsprechende Einsparung von 7.993 kg CO2-Emissionen

pro Jahr wurde erreicht.


Tiegelkapazität:

• 900 kg Aluminium

Anwendung:

• Warmhalten von Aluminium im elektrisch beheizten Wider-standsofen

Problem:

• Steigende Energiekosten

Verbesserung:


• Der ENERTEK Tiegel verbrauchte über die gesamte Lebensdauer von 12 Monaten weniger Energie. Die Gesamteinsparung der Kosten belaufen sich auf 315 € pro Tiegel (bei Kosten von 0,06 € pro KW/h in dieser Gießerei).

ZusammenfassungENERTEK Tiegel haben folgende Vorteile gegenüber herkömmlichen Tiegeln:

• Optimale Energieeffizienz für niedrigeren Energieverbrauch und damit verbundenen Kosteneinsparungen

• Gleichbleibende und lange Haltbarkeit

• Schnellere Schmelzzeiten ohne negativen Einfluss auf die Schmelzequalität

• CO2-Emissionen können verringert werden

• Konstantere Schmelzetemperatur im Warmhaltebetrieb

• Verbesserte Temperaturkontolle im Warmhaltebetrieb

Bild 6: Wöchentliche und summierte Energieeinsparung in € pro Ofen

- €

50,00 €

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Energy Saving per Furnace with ENERTEK - 3 Month Periode

Energy Saving per Week Energy Saving Total

Bild 7: Energieverbrauch über 12 Monate im Vergleich

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ENERTEK vs Standard crucible

Standard ENERTEKBild 5: Gesamtenergieverbrauch über die Lebensdauer des Tiegels im Vergleich

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Case 1 - ENERTEK vs Standard Crucible

Standard ENERTEK

Fall 1 - ENERTEK vs. Standardtiegel

Energieeinsparung pro Ofen mit ENERTEK - Zeitraum: 3 Monate

ENERTEK vs. Standardtiegel

Anzahl der Tage

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Ausgabe 264

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Überwachung der Effizienz von Tiegelöfen (FCTM)

EinleitungInnerhalb der Aluminium-Gießereien besteht die Notwendigkeit, zur Bekämpfung der steigenden Versorgungspreise und Produktionskosten die Effizienz zu verbessern. Seit den 1970er Jahren haben die Stromkosten in allen wichtigen Bereichen [siehe Abbildung 1] zugenommen. Es gab zuletzt Perioden der Stabilität in der Industrie, aber das Niveau bleibt auf einem Allzeithoch. Dies ist ein Problem für Unternehmen wie Aluminiumgießereien, die elektrische Energie für ihre Prozesse benötigen.

Selbst inmitten der Proteste für geringere Energiekosten haben die USA mit die niedrigsten Strompreise weltweit [Abbildung 2]. Zum Vergleich: Im Jahr 2009 lagen in Italien die Kosten pro kWh, einschließlich Steuern, um fast 400 % höher. Heute ist diese Diskrepanz sogar noch größer. In vielen Ländern ist für eine Gießerei die Senkung des Energieverbrauchs eine der obersten Prioritäten, um zu überleben.

Allerdings können Chancen für eine höhere Energieeffizienz auf dem Niveau der einzelnen Apparaturen leicht übersehen werden, weil kleine und stufenweise Verbesserungen nicht als so wirkungsvoll angesehen werden wie breitere unternehmensweite Energiesparinitiativen.

Daher werden Zeit und Mühen gescheut, diese Möglichkeiten im größeren Umfang zu untersuchen. Oft sind die Gerätschaften in einer Gießerei in einer Einheit (Gas- oder Stromrechnung) zusammengefasst, ohne die praktische Möglichkeit, den Energiebedarf des einzelnen Geräts zu betrachten, geschweige denn, um dessen Auswirkung auf die Effizienz zu überwachen.

Es gibt mehrere Tiegelofen bezogene Variablen, die ein Manager in der Aluminiumgießerei beeinflussen kann, um die Effizienz zu ver-bessern, aber es gibt keinen Weg, die Auswirkungen der vorgenom-menen Änderungen auf die Effizienz zu messen und zu beurteilen. Das einfachste Maß zur Kontrolle und Beurteilung von elektrischen Widerstandsöfen ist der Energieverbrauch in kWh. Die Überwachung des Stromverbrauchs eines Ofens gibt einen schnellen Eindruck von Wirtschaftlichkeit, erzählt aber nur einen Teil der Geschichte. Ener-giekosten entstehen beim Schmelzen des Metalls und durch die Wärmeverluste beim Warmhalten. Aber auch die Schmelzrate, die Auswahl der Tiegelqualität, wie oft der Ofendeckel geöffnet wird, die Isolierung und noch einige Variablen mehr haben Einfluss darauf, wie effizient die Energie in einem Tiegelofen genutzt wird.

Ein typisches Beispiel für die jährlichen Energiekosten eines mittelgroßen, elektrisch beheizten Tiegelofens sehen Sie hier:

Der Einfachheit halber werden in diesem Beispiel Tageszeit und sai-sonale Schwankungen ignoriert. Eine große Gießerei kann 50 oder mehr Öfen haben, so dass auf der Grundlage dieser vereinfachten Berechnung die Kosten für elektrische Energie sehr leicht eine Millio-nen US-Dollar pro Jahr erreichen können.

Abbildung 1. Historische Durchschnittskosten elektrischer Energie (USA).

Abbildung 2. Vergleich weltweiter Energiepreise – Industriesektor (2009)Durchschnittliche Energiepreise

Energiepreise Industrie (2009)

100 KW Elektrischer Widerstandsofen – USA

1. Leistungspreis@ $ 6.30/kW x 100 kW x 12 Monate/Jahr

$ 7,560

2. Schmelzkosten@ 0.389 kWh/kg x 2286 kg/Tag x 22 Tage/Monat x 12 Monate/Jahr x $ 0.075/kWh

$ 17,464

3. Warmhaltekosten@ 10 kWh/Stunde x (10 Stunden/Tag x 5 Tage/Woche) + 48 Stunden/Wochenende x 52 Wochen/Jahr x $ 0.075/kWh

$ 3,822

GESAMTE ENERGIEKOSTEN PRO JAHR $ 28,846Tabelle 1. Jährliche Energiekosten für einen 100 KW elektrischen Widerstandsofen

Betrachten Sie das Beispiel oben, jedoch benutzt die Gießerei nun einen energieeffizienteren Tiegel, der 50 kW/h pro Tag einspart. Beim Gießen der gleichen Menge reduziert sich dadurch die Energie-Durchsatz-Rate von 0.389 kWh/kg auf 0.367 kWh/kg und die totalen Schmelzkosten sinken auf $16.611, eine Einsparung von $853 pro Ofen.

Zur gleichen Zeit sinken die Warmhaltekosten um 0,5 kWh/Stunde und summieren sich zu einer jährlichen Einsparung von $192 und einer Gesamteinsparung von $1.045 pro Ofen. In einigen Fällen sind dies fast die Kosten des Schmelztiegels. Das Problem bei dieser Entscheidung ist, dass es keinen einfachen Weg gibt, die gegenwärtige Effizienz mit vermeintlichen Effizienzsteigerungen zu vergleichen. Dies liegt daran, dass die realisierten Einsparungen oft in einer größeren Gesamtenergierechnung versteckt sind.

Foseco hat ein neuartiges Hilfsmittel entwickelt, das es ermöglicht, gleichzeitig die Effizienz von mehreren elektrisch beheizten Tiegelöfen über einen langen Zeitraum zu bewerten. Hierbei werden drei Kennzahlen überwacht, die einen starken Einfluss auf Effizienz haben: Energieverbrauch, Durchsatz und Temperatur.

Dieses Gerät wird FCTM („Foseco Crucible Throughput Monitor“ oder „Foseco Tiegel Durchsatzüberwachung“) genannt, wobei sich seine Fähigkeiten nicht nur auf den Durchsatz beschränken. Mit der zusätzlichen kontinuierlichen Energie- und Temperaturaufzeichnung ist es möglich, ein genaues Profil einzelner Öfen zu erstellen. Es kann nicht nur die Effizienz verschiedener Öfen miteinander vergleichen, sondern ermöglicht es dem geübten Anwender, verschiedene Datenmuster zu entsprechenden Ofenaktivitäten zu erkennen (Entgasung, Metallbehandlung, Chargieren, usw.), so dass die Gesamtauswirkung dieser Tätigkeiten beobachtet werden kann.

Durch dieses Verfahren kann der Gießereileiter Mängel eines Ofens oder einer Betriebspraktik feststellen, um Änderungen an Geräten oder Verfahren vorzunehmen, die einen positiven Effekt auf die Effizienz haben.

Mit dem FCTM können zunächst einmal Schwankungen in der Effizienz leicht bewertet werden, die durch ineffiziente Auslastung oder Arbeitsabläufe hervorgerufen werden. Auch ein schlechter Wirkungsgrad eines leistungsschwachen Ofens kann festgestellt werden. Es sind viele schrittweise Verbesserungen an den einzelnen Öfen, die sich zu einer großen Einsparung von Zeit, Energie und Geld summieren.

HintergrundDer FCTM wurde entwickelt, um die bestehenden Technologien zu nutzen und die Probleme beim Messen der Effektivität von zwei verschiedenen Tiegeln in elektrisch widerstandsbeheizten Öfen zu lösen. Standard-Leistungsmesser an jedem Ofen messen und zeichnen den täglichen Energieverbrauch in kWh auf. Die Idee war, diese Ergebnisse zu vergleichen und festzustellen, welcher Schmelztiegel besser arbeitet, vorausgesetzt, die Öfen haben die gleiche Leistung.

Die erste Versuchsserie hat gezeigt, dass das Ergebnis des direkten Vergleichs der beiden Öfen fehlerhaft war, obwohl die Instrumente den Energieverbrauch genau gemessen hatten. Der Hauptgrund dafür ist, dass in vielen Fällen die Öfen nicht gleich gefahren werden, auch wenn sie die gleichen Aufgaben erfüllen. Wenn beim Energieverbrauch der Durchsatz durch den Tiegelofen nicht berücksichtigt wird, sind die Daten irreführend. Wird beispielsweise ein Ofen häufiger verwendet (höherer

Metalldurchlauf, häufigeres Chargieren, usw.), dann wird die Energiemessung einen Ofen mit geringerem Durchlauf als besser ansehen, auch wenn dort ein Tiegel mit geringerer Energieeffizienz eingebaut ist.

Der Durchlauf von Flüssigmetall in einer Gießerei ist ein kompliziertes Thema. Gießereileiter wissen gewöhnlich, wie viele Aluminium-Gussstücke sie am Tag produziert haben und kennen auch das Gussgewicht pro Stück. Da es in der Regel mehrere Gießlinien und mehrere Öfen gibt, die mit Metall beliefert werden, ist es eine Herausforderung zu verfolgen, wie viel Metall aus welchem Ofen vergossen wurde. Selbst wenn nur ein Ofen mit einer bekannten Menge Metall beliefert wird, stellt sich immer noch die Frage, wieviel Metall in Anschnittsystemen, der Schlacke, beim Abkrätzen oder durch Verschütten verwendet wurde. Selbst die am besten geführten Gießereien haben eventuell nicht die Möglichkeit, den Tagesdurchsatz für einen bestimmten Ofen zu bestimmen, sicherlich auch, weil diese Details für die Gießerei nicht als erforderlich angesehen werden, um effektiv zu arbeiten.

Somit verbleibt nur ein relativ ungenauer Weg, um die Öfen zu vergleichen. Man nimmt an, dass die verglichenen Öfen identisch betrieben werden und die gemessene Energiedifferenz korrekt ist. Meistens ist dies jedoch eine falsche Annahme und es gibt keine Möglichkeit, die genauen Daten von jedem Ofen zu erhalten.

Diese Erkenntnis führte zur Entwicklung des FCTM – eines Instruments zur Messung des Ofen-Energieverbrauchs in Verbindung mit Metalldurchsatz (Metall In; Metall Out), ein viel präziserer Weg, die Effizienz zweier Öfen zu vergleichen.

FCTM - ÜberblickAbbildung 3 zeigt ein Foto des FCTM-Schaltschranks zusammen mit einer Nahaufnahme von einem Laser-Sensor. In dieser kompakten Modulbauweise kann die Hardware für bis zu vier Öfen mit einem aufrüstbaren, benutzerdefinierten Betriebssystem untergebracht werden. Der FCTM arbeitet grundsätzlich auf zwei Ebenen: er zeichnet den Energieverbrauch sowie den Metalldurchgang pro Zeit und Ereignis auf (Addition oder Subtraktion von Flüssigmetall im Ofen). Als zusätzliche Option für eine erweiterte Datenanalyse kann auch die Temperatur gemessen und aufgezeichnet werden.

Die Energieaufzeichnung wird durch ein Wattmeter im Kontrollschrank des Ofens übernommen. Die Temperaturkontrolle geschieht mit Hilfe eines speziellen Thermoelements oder über ein 5 – 20 mA Sendesignal der Ofensteuerung. Durchsatzmessung ist etwas komplizierter, es werden Lasersensoren verwendet und ein

Abbildung 3. Fotos der FCTM-2 Kontrolleinheit (links) und eine Na-haufnahme eines Lasersensors (rechts)

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Überwachung der Effizienz von Tiegelöfen (FCTM)

EinleitungInnerhalb der Aluminium-Gießereien besteht die Notwendigkeit, zur Bekämpfung der steigenden Versorgungspreise und Produktionskosten die Effizienz zu verbessern. Seit den 1970er Jahren haben die Stromkosten in allen wichtigen Bereichen [siehe Abbildung 1] zugenommen. Es gab zuletzt Perioden der Stabilität in der Industrie, aber das Niveau bleibt auf einem Allzeithoch. Dies ist ein Problem für Unternehmen wie Aluminiumgießereien, die elektrische Energie für ihre Prozesse benötigen.

Selbst inmitten der Proteste für geringere Energiekosten haben die USA mit die niedrigsten Strompreise weltweit [Abbildung 2]. Zum Vergleich: Im Jahr 2009 lagen in Italien die Kosten pro kWh, einschließlich Steuern, um fast 400 % höher. Heute ist diese Diskrepanz sogar noch größer. In vielen Ländern ist für eine Gießerei die Senkung des Energieverbrauchs eine der obersten Prioritäten, um zu überleben.

Allerdings können Chancen für eine höhere Energieeffizienz auf dem Niveau der einzelnen Apparaturen leicht übersehen werden, weil kleine und stufenweise Verbesserungen nicht als so wirkungsvoll angesehen werden wie breitere unternehmensweite Energiesparinitiativen.

Daher werden Zeit und Mühen gescheut, diese Möglichkeiten im größeren Umfang zu untersuchen. Oft sind die Gerätschaften in einer Gießerei in einer Einheit (Gas- oder Stromrechnung) zusammengefasst, ohne die praktische Möglichkeit, den Energiebedarf des einzelnen Geräts zu betrachten, geschweige denn, um dessen Auswirkung auf die Effizienz zu überwachen.

Es gibt mehrere Tiegelofen bezogene Variablen, die ein Manager in der Aluminiumgießerei beeinflussen kann, um die Effizienz zu ver-bessern, aber es gibt keinen Weg, die Auswirkungen der vorgenom-menen Änderungen auf die Effizienz zu messen und zu beurteilen. Das einfachste Maß zur Kontrolle und Beurteilung von elektrischen Widerstandsöfen ist der Energieverbrauch in kWh. Die Überwachung des Stromverbrauchs eines Ofens gibt einen schnellen Eindruck von Wirtschaftlichkeit, erzählt aber nur einen Teil der Geschichte. Ener-giekosten entstehen beim Schmelzen des Metalls und durch die Wärmeverluste beim Warmhalten. Aber auch die Schmelzrate, die Auswahl der Tiegelqualität, wie oft der Ofendeckel geöffnet wird, die Isolierung und noch einige Variablen mehr haben Einfluss darauf, wie effizient die Energie in einem Tiegelofen genutzt wird.

Ein typisches Beispiel für die jährlichen Energiekosten eines mittelgroßen, elektrisch beheizten Tiegelofens sehen Sie hier:

Der Einfachheit halber werden in diesem Beispiel Tageszeit und sai-sonale Schwankungen ignoriert. Eine große Gießerei kann 50 oder mehr Öfen haben, so dass auf der Grundlage dieser vereinfachten Berechnung die Kosten für elektrische Energie sehr leicht eine Millio-nen US-Dollar pro Jahr erreichen können.

Abbildung 1. Historische Durchschnittskosten elektrischer Energie (USA).

Abbildung 2. Vergleich weltweiter Energiepreise – Industriesektor (2009)Durchschnittliche Energiepreise

Energiepreise Industrie (2009)

100 KW Elektrischer Widerstandsofen – USA

1. Leistungspreis@ $ 6.30/kW x 100 kW x 12 Monate/Jahr

$ 7,560

2. Schmelzkosten@ 0.389 kWh/kg x 2286 kg/Tag x 22 Tage/Monat x 12 Monate/Jahr x $ 0.075/kWh

$ 17,464

3. Warmhaltekosten@ 10 kWh/Stunde x (10 Stunden/Tag x 5 Tage/Woche) + 48 Stunden/Wochenende x 52 Wochen/Jahr x $ 0.075/kWh

$ 3,822

GESAMTE ENERGIEKOSTEN PRO JAHR $ 28,846Tabelle 1. Jährliche Energiekosten für einen 100 KW elektrischen Widerstandsofen

Betrachten Sie das Beispiel oben, jedoch benutzt die Gießerei nun einen energieeffizienteren Tiegel, der 50 kW/h pro Tag einspart. Beim Gießen der gleichen Menge reduziert sich dadurch die Energie-Durchsatz-Rate von 0.389 kWh/kg auf 0.367 kWh/kg und die totalen Schmelzkosten sinken auf $16.611, eine Einsparung von $853 pro Ofen.

Zur gleichen Zeit sinken die Warmhaltekosten um 0,5 kWh/Stunde und summieren sich zu einer jährlichen Einsparung von $192 und einer Gesamteinsparung von $1.045 pro Ofen. In einigen Fällen sind dies fast die Kosten des Schmelztiegels. Das Problem bei dieser Entscheidung ist, dass es keinen einfachen Weg gibt, die gegenwärtige Effizienz mit vermeintlichen Effizienzsteigerungen zu vergleichen. Dies liegt daran, dass die realisierten Einsparungen oft in einer größeren Gesamtenergierechnung versteckt sind.

Foseco hat ein neuartiges Hilfsmittel entwickelt, das es ermöglicht, gleichzeitig die Effizienz von mehreren elektrisch beheizten Tiegelöfen über einen langen Zeitraum zu bewerten. Hierbei werden drei Kennzahlen überwacht, die einen starken Einfluss auf Effizienz haben: Energieverbrauch, Durchsatz und Temperatur.

Dieses Gerät wird FCTM („Foseco Crucible Throughput Monitor“ oder „Foseco Tiegel Durchsatzüberwachung“) genannt, wobei sich seine Fähigkeiten nicht nur auf den Durchsatz beschränken. Mit der zusätzlichen kontinuierlichen Energie- und Temperaturaufzeichnung ist es möglich, ein genaues Profil einzelner Öfen zu erstellen. Es kann nicht nur die Effizienz verschiedener Öfen miteinander vergleichen, sondern ermöglicht es dem geübten Anwender, verschiedene Datenmuster zu entsprechenden Ofenaktivitäten zu erkennen (Entgasung, Metallbehandlung, Chargieren, usw.), so dass die Gesamtauswirkung dieser Tätigkeiten beobachtet werden kann.

Durch dieses Verfahren kann der Gießereileiter Mängel eines Ofens oder einer Betriebspraktik feststellen, um Änderungen an Geräten oder Verfahren vorzunehmen, die einen positiven Effekt auf die Effizienz haben.

Mit dem FCTM können zunächst einmal Schwankungen in der Effizienz leicht bewertet werden, die durch ineffiziente Auslastung oder Arbeitsabläufe hervorgerufen werden. Auch ein schlechter Wirkungsgrad eines leistungsschwachen Ofens kann festgestellt werden. Es sind viele schrittweise Verbesserungen an den einzelnen Öfen, die sich zu einer großen Einsparung von Zeit, Energie und Geld summieren.

HintergrundDer FCTM wurde entwickelt, um die bestehenden Technologien zu nutzen und die Probleme beim Messen der Effektivität von zwei verschiedenen Tiegeln in elektrisch widerstandsbeheizten Öfen zu lösen. Standard-Leistungsmesser an jedem Ofen messen und zeichnen den täglichen Energieverbrauch in kWh auf. Die Idee war, diese Ergebnisse zu vergleichen und festzustellen, welcher Schmelztiegel besser arbeitet, vorausgesetzt, die Öfen haben die gleiche Leistung.

Die erste Versuchsserie hat gezeigt, dass das Ergebnis des direkten Vergleichs der beiden Öfen fehlerhaft war, obwohl die Instrumente den Energieverbrauch genau gemessen hatten. Der Hauptgrund dafür ist, dass in vielen Fällen die Öfen nicht gleich gefahren werden, auch wenn sie die gleichen Aufgaben erfüllen. Wenn beim Energieverbrauch der Durchsatz durch den Tiegelofen nicht berücksichtigt wird, sind die Daten irreführend. Wird beispielsweise ein Ofen häufiger verwendet (höherer

Metalldurchlauf, häufigeres Chargieren, usw.), dann wird die Energiemessung einen Ofen mit geringerem Durchlauf als besser ansehen, auch wenn dort ein Tiegel mit geringerer Energieeffizienz eingebaut ist.

Der Durchlauf von Flüssigmetall in einer Gießerei ist ein kompliziertes Thema. Gießereileiter wissen gewöhnlich, wie viele Aluminium-Gussstücke sie am Tag produziert haben und kennen auch das Gussgewicht pro Stück. Da es in der Regel mehrere Gießlinien und mehrere Öfen gibt, die mit Metall beliefert werden, ist es eine Herausforderung zu verfolgen, wie viel Metall aus welchem Ofen vergossen wurde. Selbst wenn nur ein Ofen mit einer bekannten Menge Metall beliefert wird, stellt sich immer noch die Frage, wieviel Metall in Anschnittsystemen, der Schlacke, beim Abkrätzen oder durch Verschütten verwendet wurde. Selbst die am besten geführten Gießereien haben eventuell nicht die Möglichkeit, den Tagesdurchsatz für einen bestimmten Ofen zu bestimmen, sicherlich auch, weil diese Details für die Gießerei nicht als erforderlich angesehen werden, um effektiv zu arbeiten.

Somit verbleibt nur ein relativ ungenauer Weg, um die Öfen zu vergleichen. Man nimmt an, dass die verglichenen Öfen identisch betrieben werden und die gemessene Energiedifferenz korrekt ist. Meistens ist dies jedoch eine falsche Annahme und es gibt keine Möglichkeit, die genauen Daten von jedem Ofen zu erhalten.

Diese Erkenntnis führte zur Entwicklung des FCTM – eines Instruments zur Messung des Ofen-Energieverbrauchs in Verbindung mit Metalldurchsatz (Metall In; Metall Out), ein viel präziserer Weg, die Effizienz zweier Öfen zu vergleichen.

FCTM - ÜberblickAbbildung 3 zeigt ein Foto des FCTM-Schaltschranks zusammen mit einer Nahaufnahme von einem Laser-Sensor. In dieser kompakten Modulbauweise kann die Hardware für bis zu vier Öfen mit einem aufrüstbaren, benutzerdefinierten Betriebssystem untergebracht werden. Der FCTM arbeitet grundsätzlich auf zwei Ebenen: er zeichnet den Energieverbrauch sowie den Metalldurchgang pro Zeit und Ereignis auf (Addition oder Subtraktion von Flüssigmetall im Ofen). Als zusätzliche Option für eine erweiterte Datenanalyse kann auch die Temperatur gemessen und aufgezeichnet werden.

Die Energieaufzeichnung wird durch ein Wattmeter im Kontrollschrank des Ofens übernommen. Die Temperaturkontrolle geschieht mit Hilfe eines speziellen Thermoelements oder über ein 5 – 20 mA Sendesignal der Ofensteuerung. Durchsatzmessung ist etwas komplizierter, es werden Lasersensoren verwendet und ein

Abbildung 3. Fotos der FCTM-2 Kontrolleinheit (links) und eine Na-haufnahme eines Lasersensors (rechts)

FCTM - Ü

berwachung der Effizienz von Tiegelöfen

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Ausgabe 264

spezifischer Algorithmus zur Messung der Massenveränderung im Tiegel, wenn Metall hinzugefügt oder entnommen wird. Der Sensor muss so über dem Metallbad angebracht werden, dass der Laserzielpunkt direkt auf der Badoberfläche misst. Störungen des Lasers durch Gegenstände, die den Strahl behindern (z.B. einen geschlossenen Ofendeckel) werden durch die Software herausgefiltert und für eine Reihe von Ereignissen wird ein Präventionsprogramm entwickelt, um diese Fehlerdaten eliminieren.

Abbildung 4 bietet einen Überblick über die gesamte Funktionalität des FCTM-Lasersensors. Diese beinhaltet Kalibrierung und Messung sowie eine grundlegende Beschreibung, wie die Erkennung von Fehlerdaten funktioniert.

Abbildung 5 zeigt das Schema eines typischen FCTM-Aufbaus für zwei Öfen. Es gibt separate Konfigurationen für jeden einzelnen Ofenkanal. Derzeit unterstützt FCTM nur elektrische Widerstandsöfen, zukünftige Versionen könnten an Gas- oder Induktionsöfen angepasst werden.

Neben seiner Funktion als Gerät zur Effizienzüberwachung überwacht es über den Lasersensor auch den Metallfüllstand. Warnleuchten alarmieren den Betreiber, wenn der Füllstand ein kritisch niedriges Niveau erreicht (Nachfüllalarm), ein kritisch hohes Niveau erreicht (Überlaufalarm), oder ein vom Betreiber eingestelltes Niveau erreicht (z.B. durch Masseln). Diese Warnungen könnten möglicherweise auch in ein größeres Sicherheitssystem in der Gießerei eingebunden werden, das akustische Signale auslöst.

FCTM – DatenAbbildung 6 zeigt eine typische Energieaufzeichnung zweier Aluminium Warmhalteöfen über einen 24-Stunden Zeitraum. Dies ist die niedrigste Informationsebene, die aufgezeichnet werden kann, um die relative Ofenleistung zu vergleichen.

Da es keinen Durchsatz für beide Öfen gibt, wird der Energieverbrauch zum Halten der eingestellten Temperatur gemessen. In diesem Fall verbraucht Ofen 1 an diesem Tag weniger Energie als Ofen 2 (318kWh zu 344 kWh). Um diese Daten zu erstellen, wurden alle 5 Sekunden Messungen vorgenommen; die Aufzeichnungsrate des FCTM ist jedoch einstellbar und Daten können von einmal pro Sekunde bis hin zu einmal alle 10 Minuten aufgezeichnet werden.

Abbildung 7 zeigt eine etwas komplexere Datenreihe. Diese Daten wurden an denselben beiden Öfen aufgezeichnet, jedoch an einem Tag, an denen aus beiden Aluminium gegossen wurde. Beachten Sie die Änderungen beim Anstieg der Energieverbrauchslinien über den Tag. Ein steiler Anstieg steht für eine Befüllung, bei der solider Metallschrott oder Masseln zugeführt werden. Die schnell abfallende Temperatur führt dazu, dass die Ofenleistung auf das Maximum steigt (100%).

Diese Aufzeichnung zeigt, dass Ofen 2 an diesem Tag weniger Energie verbraucht als Ofen 1 (787 kWh zu 678 kWh). Erinnern wir uns, dies sind die gleichen Öfen von Abbildung 6. Das Ergebnis erscheint umgekehrt - mit Ofen 2 als energieeffizienteren Ofen. Dieses vereinfachte Beispiel zeigt genau, welche widersprüchlichen Ergebnisse beim Vergleich des Energieverbrauchs auftreten können. Es berücksichtig nicht die Umstände in der Gießerei, die das Ergebnis beeinflussen. In der Realität wurde Ofen 1 an diesem Tag geleert und nachgefüllt, wogegen Ofen 2 nur teilweise entleert und nicht nachgefüllt wurde. Unterschiedliche Nutzungsweisen werden durch eine unterschiedliche Steigung in den Anzeigen für Ofen 1 und 2 angedeutet. Das Schmelzen von festem Einsatzgut benötigt sehr viel Energie, genauso wie auch das Öffnen des Ofendeckels zu Wärmeverlusten führt.

Abbildung 5. Schema einer typischen FCTM-2 Installation (oben) und Nahaufnahme der Anzeige auf dem Display (unten)

Abbildung 4. Bildliche Darstellung eines Standard FCTM-Aufbaus und seiner Arbeitsweise.Abbildung 6. Abbildung von FCTM-Daten - Täglicher kWh-Verbrauch zweier Tiegelöfen, Warmhalten mit gleicher Kapazität.

Abbildung 7. Abbildung von FCTM-Daten - Täglicher kWh-Verbrauch zweier Tiegelöfen beim Gießen.

Wenn ein Ofen am Tag öfter verwendet wird, verbraucht er mehr Energie. Dies ist ein logischer Gedanke, der aber mit einem einfachen Energiemessgerät gar nicht so einfach beobachtet werden kann. Der FCTM ermöglicht es jedoch, dies mit seiner fortlaufenden Aufzeichnung zu dokumentieren.

Abbildung 8 zeigt dieselbe Energieauswertung wie Abbildung 7, jedoch mit der aufgezeichneten Höhe des Füllstandes und des Durchsatzes. Dies sind die drei Hauptelemente, die der FCTM in jeder Datei erzeugt (Temperatur ist das Vierte, wurde in diesem Versuch aber nicht gemessen). Die Metallhöhe wird durch den Laser-Scanner als ein Wert der Massenberechnung für den Durchsatz-Algorithmus gemessen, es erzeugt aber auch eine Visualisierung des Metallniveaus während des Tages. Werden alle drei Daten angezeigt, wird die Auslastung der Öfen 1 und 2 sehr viel deutlicher. Das Gießen von Metall aus dem Ofen kann als allmähliche Abnahme des Metallniveaus beobachtet werden und führt zur entsprechenden Erhöhung des Durchsatzes. Das Nachfüllen des Ofens wird als halb abruptes Ansteigen der Metallhöhe (A) angezeigt und führt zu keinem zusätzlichen Durchsatz. Der Durchsatz ist definiert als die Gesamtmenge von Metall, die dem Ofen zugeführt oder dem Ofen entnommen wurde, nicht aber beides.

Wie gezeigt, ist der Zeitpunkt des Befüllens zeitgleich mit dem schnellen Anstieg des Energieverbrauchs (Leistungsanstieg zum Schmelzen). Der Durchsatz steigt allmählich, wenn das Metall aus dem Ofen (B) entnommen wird, ändert sich aber nicht, wenn der

Ofen befüllt wird oder nicht in Gebrauch ist (C).

Es kann festgestellt werden, dass in diesem Beispiel die Öfen 1 und 2 nacheinander verwendet wurden: wenn Ofen 1 entleert ist, wird aus Ofen 2 gegossen und Ofen 1 wird nachgefüllt. Ofen 1 wurde das zweite Mal benutzt während Ofen 2 befüllt wurde. Nachdem ein Teil des Metalls vergossen worden war, wurde Ofen 1 angehalten, jedoch nicht befüllt. Man beachte, dass (D) mit dem Ende des Arbeitstages um ca. 16:00 Uhr zusammenfällt. Diese Gießerei arbeitete in nur einer Schicht und aus den Öfen wurde nacheinander gegossen.

Die Methode der Durchsatzmessung ist ein Maß für die Ofeneffizienz. Sie ist ein einfaches Verhältnis von Energie zum Durchsatz (kWh/kg), welches vom FCTM über den Tag errechnet und aufgezeichnet wird. Die Daten für den Vergleich sind diejenigen, die bis zum Ende des Tages gesammelt wurden (23:59:00), wenn die Werte sich stabilisiert haben.

Zum Beispiel wurden die in Abbildung 8 gezeigten Daten folgendermaßen berechnet:

Ofen 1: Max. Energie = 787 kWh ; Max. Durchsatz = 887 kg ; Rate = 0.89 kWh/kg


Wenn der tägliche Energieverbrauch und der tägliche Durchsatz berücksichtigt werden, zeigen die Daten, dass Ofen 1 energieeffizienter ist als Ofen 2, wie in Abbildung 6 bestätigt. Obwohl Ofen 1 mehr Energie verbraucht hat als Ofen 2, war er produktiver – eine Tatsache, die völlig außer Acht gelassen wird, wenn man nur den Energieverbrauch vergleicht (Abbildung 7). Sie kann jedoch ganz einfach durch das Messen des Durchsatzes mit dem FCTM festgestellt werden.

Bild 9 zeigt eine weitere Anwendung des FCTM, bei der Einzel- und Gesamtwerte angezeigt werden (inaktive Tage = 0). Es entsteht ein klarer Trend, der die relative Effizienz der Öfen über die

Wertefunktion (Rate) darstellt.

Erweiterte AnalyseInteressant an den Daten in Bild 9 ist, dass beide Öfen das gleiche Modell sind, sie gießen die gleiche Legierung nach derselben Metho-de, aber die Ergebnisse sind sehr unterschiedlich. Unterschiedliche Variablen sind Tiegeltyp, Gussgewicht und Durchsatz pro Tag. Auch werden beide Öfen von unterschiedlichen Bedienern betrieben.

Der Punkt ist, dass die obige Rate eine abhängige Variable ist. Sie ist nicht nur das Produkt aus der Hardware-Effizienz (Ofen und Tiegel), sondern auch der Betriebsabläufe und Arbeitsprakti-ken. Energieverbrauch und Durchsatz zählen zu den wichtigsten Variablen, um die Ofeneffizienz zu bestimmen. Deshalb ist es die Hauptfunktion des FCTM, diese Daten genau zu erfassen und auf-zuzeichnen. Allerdings gibt es viele feine, weniger offensichtliche Variablen, die gemeinsam zu einer Ineffizienz beitragen können. Diese sind oft schwer zu erfassen und noch schwerer zu lösen, weil es keine wirklichen Metriken gibt, die Auswirkung von Veränderun-gen festzustellen, die an ihnen vorgenommen wurden. Weil der FCTM Öfen kontinuierlich überwacht, ist der Gießereileiter in der Lage, das FCTM als Werkzeug für den kontinuierlichen Verbesse-rungsprozess zu nutzen. Es erstellt Datenanalysen die es ermögli-chen, die Auswirkungen einzelner Prozessschritte auf die Ofen-leistung zu isolieren. Der Gießereileiter kann nun versuchen, auf unterschiedlichen Wegen die Prozessschritte zu beeinflussen und, unter Verwendung der Daten, die Wirkung auf die Ofenleistung zu überprüfen.

Abbildung 8. Abbildung der FCTM Daten - Täglicher kWh-Verbrauch, Metallhöhe, Durchsatz des Tiegelofens.

Abbildung 9. Abbildung von FCTM-‘Raten’ Daten (kWh/kg) für zwei unterschiedliche Elektroöfen.

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spezifischer Algorithmus zur Messung der Massenveränderung im Tiegel, wenn Metall hinzugefügt oder entnommen wird. Der Sensor muss so über dem Metallbad angebracht werden, dass der Laserzielpunkt direkt auf der Badoberfläche misst. Störungen des Lasers durch Gegenstände, die den Strahl behindern (z.B. einen geschlossenen Ofendeckel) werden durch die Software herausgefiltert und für eine Reihe von Ereignissen wird ein Präventionsprogramm entwickelt, um diese Fehlerdaten eliminieren.

Abbildung 4 bietet einen Überblick über die gesamte Funktionalität des FCTM-Lasersensors. Diese beinhaltet Kalibrierung und Messung sowie eine grundlegende Beschreibung, wie die Erkennung von Fehlerdaten funktioniert.

Abbildung 5 zeigt das Schema eines typischen FCTM-Aufbaus für zwei Öfen. Es gibt separate Konfigurationen für jeden einzelnen Ofenkanal. Derzeit unterstützt FCTM nur elektrische Widerstandsöfen, zukünftige Versionen könnten an Gas- oder Induktionsöfen angepasst werden.

Neben seiner Funktion als Gerät zur Effizienzüberwachung überwacht es über den Lasersensor auch den Metallfüllstand. Warnleuchten alarmieren den Betreiber, wenn der Füllstand ein kritisch niedriges Niveau erreicht (Nachfüllalarm), ein kritisch hohes Niveau erreicht (Überlaufalarm), oder ein vom Betreiber eingestelltes Niveau erreicht (z.B. durch Masseln). Diese Warnungen könnten möglicherweise auch in ein größeres Sicherheitssystem in der Gießerei eingebunden werden, das akustische Signale auslöst.

FCTM – DatenAbbildung 6 zeigt eine typische Energieaufzeichnung zweier Aluminium Warmhalteöfen über einen 24-Stunden Zeitraum. Dies ist die niedrigste Informationsebene, die aufgezeichnet werden kann, um die relative Ofenleistung zu vergleichen.

Da es keinen Durchsatz für beide Öfen gibt, wird der Energieverbrauch zum Halten der eingestellten Temperatur gemessen. In diesem Fall verbraucht Ofen 1 an diesem Tag weniger Energie als Ofen 2 (318kWh zu 344 kWh). Um diese Daten zu erstellen, wurden alle 5 Sekunden Messungen vorgenommen; die Aufzeichnungsrate des FCTM ist jedoch einstellbar und Daten können von einmal pro Sekunde bis hin zu einmal alle 10 Minuten aufgezeichnet werden.

Abbildung 7 zeigt eine etwas komplexere Datenreihe. Diese Daten wurden an denselben beiden Öfen aufgezeichnet, jedoch an einem Tag, an denen aus beiden Aluminium gegossen wurde. Beachten Sie die Änderungen beim Anstieg der Energieverbrauchslinien über den Tag. Ein steiler Anstieg steht für eine Befüllung, bei der solider Metallschrott oder Masseln zugeführt werden. Die schnell abfallende Temperatur führt dazu, dass die Ofenleistung auf das Maximum steigt (100%).

Diese Aufzeichnung zeigt, dass Ofen 2 an diesem Tag weniger Energie verbraucht als Ofen 1 (787 kWh zu 678 kWh). Erinnern wir uns, dies sind die gleichen Öfen von Abbildung 6. Das Ergebnis erscheint umgekehrt - mit Ofen 2 als energieeffizienteren Ofen. Dieses vereinfachte Beispiel zeigt genau, welche widersprüchlichen Ergebnisse beim Vergleich des Energieverbrauchs auftreten können. Es berücksichtig nicht die Umstände in der Gießerei, die das Ergebnis beeinflussen. In der Realität wurde Ofen 1 an diesem Tag geleert und nachgefüllt, wogegen Ofen 2 nur teilweise entleert und nicht nachgefüllt wurde. Unterschiedliche Nutzungsweisen werden durch eine unterschiedliche Steigung in den Anzeigen für Ofen 1 und 2 angedeutet. Das Schmelzen von festem Einsatzgut benötigt sehr viel Energie, genauso wie auch das Öffnen des Ofendeckels zu Wärmeverlusten führt.

Abbildung 5. Schema einer typischen FCTM-2 Installation (oben) und Nahaufnahme der Anzeige auf dem Display (unten)

Abbildung 4. Bildliche Darstellung eines Standard FCTM-Aufbaus und seiner Arbeitsweise.Abbildung 6. Abbildung von FCTM-Daten - Täglicher kWh-Verbrauch zweier Tiegelöfen, Warmhalten mit gleicher Kapazität.

Abbildung 7. Abbildung von FCTM-Daten - Täglicher kWh-Verbrauch zweier Tiegelöfen beim Gießen.

Wenn ein Ofen am Tag öfter verwendet wird, verbraucht er mehr Energie. Dies ist ein logischer Gedanke, der aber mit einem einfachen Energiemessgerät gar nicht so einfach beobachtet werden kann. Der FCTM ermöglicht es jedoch, dies mit seiner fortlaufenden Aufzeichnung zu dokumentieren.

Abbildung 8 zeigt dieselbe Energieauswertung wie Abbildung 7, jedoch mit der aufgezeichneten Höhe des Füllstandes und des Durchsatzes. Dies sind die drei Hauptelemente, die der FCTM in jeder Datei erzeugt (Temperatur ist das Vierte, wurde in diesem Versuch aber nicht gemessen). Die Metallhöhe wird durch den Laser-Scanner als ein Wert der Massenberechnung für den Durchsatz-Algorithmus gemessen, es erzeugt aber auch eine Visualisierung des Metallniveaus während des Tages. Werden alle drei Daten angezeigt, wird die Auslastung der Öfen 1 und 2 sehr viel deutlicher. Das Gießen von Metall aus dem Ofen kann als allmähliche Abnahme des Metallniveaus beobachtet werden und führt zur entsprechenden Erhöhung des Durchsatzes. Das Nachfüllen des Ofens wird als halb abruptes Ansteigen der Metallhöhe (A) angezeigt und führt zu keinem zusätzlichen Durchsatz. Der Durchsatz ist definiert als die Gesamtmenge von Metall, die dem Ofen zugeführt oder dem Ofen entnommen wurde, nicht aber beides.

Wie gezeigt, ist der Zeitpunkt des Befüllens zeitgleich mit dem schnellen Anstieg des Energieverbrauchs (Leistungsanstieg zum Schmelzen). Der Durchsatz steigt allmählich, wenn das Metall aus dem Ofen (B) entnommen wird, ändert sich aber nicht, wenn der

Ofen befüllt wird oder nicht in Gebrauch ist (C).

Es kann festgestellt werden, dass in diesem Beispiel die Öfen 1 und 2 nacheinander verwendet wurden: wenn Ofen 1 entleert ist, wird aus Ofen 2 gegossen und Ofen 1 wird nachgefüllt. Ofen 1 wurde das zweite Mal benutzt während Ofen 2 befüllt wurde. Nachdem ein Teil des Metalls vergossen worden war, wurde Ofen 1 angehalten, jedoch nicht befüllt. Man beachte, dass (D) mit dem Ende des Arbeitstages um ca. 16:00 Uhr zusammenfällt. Diese Gießerei arbeitete in nur einer Schicht und aus den Öfen wurde nacheinander gegossen.

Die Methode der Durchsatzmessung ist ein Maß für die Ofeneffizienz. Sie ist ein einfaches Verhältnis von Energie zum Durchsatz (kWh/kg), welches vom FCTM über den Tag errechnet und aufgezeichnet wird. Die Daten für den Vergleich sind diejenigen, die bis zum Ende des Tages gesammelt wurden (23:59:00), wenn die Werte sich stabilisiert haben.

Zum Beispiel wurden die in Abbildung 8 gezeigten Daten folgendermaßen berechnet:



Wenn der tägliche Energieverbrauch und der tägliche Durchsatz berücksichtigt werden, zeigen die Daten, dass Ofen 1 energieeffizienter ist als Ofen 2, wie in Abbildung 6 bestätigt. Obwohl Ofen 1 mehr Energie verbraucht hat als Ofen 2, war er produktiver – eine Tatsache, die völlig außer Acht gelassen wird, wenn man nur den Energieverbrauch vergleicht (Abbildung 7). Sie kann jedoch ganz einfach durch das Messen des Durchsatzes mit dem FCTM festgestellt werden.

Bild 9 zeigt eine weitere Anwendung des FCTM, bei der Einzel- und Gesamtwerte angezeigt werden (inaktive Tage = 0). Es entsteht ein klarer Trend, der die relative Effizienz der Öfen über die

Wertefunktion (Rate) darstellt.

Erweiterte AnalyseInteressant an den Daten in Bild 9 ist, dass beide Öfen das gleiche Modell sind, sie gießen die gleiche Legierung nach derselben Metho-de, aber die Ergebnisse sind sehr unterschiedlich. Unterschiedliche Variablen sind Tiegeltyp, Gussgewicht und Durchsatz pro Tag. Auch werden beide Öfen von unterschiedlichen Bedienern betrieben.

Der Punkt ist, dass die obige Rate eine abhängige Variable ist. Sie ist nicht nur das Produkt aus der Hardware-Effizienz (Ofen und Tiegel), sondern auch der Betriebsabläufe und Arbeitsprakti-ken. Energieverbrauch und Durchsatz zählen zu den wichtigsten Variablen, um die Ofeneffizienz zu bestimmen. Deshalb ist es die Hauptfunktion des FCTM, diese Daten genau zu erfassen und auf-zuzeichnen. Allerdings gibt es viele feine, weniger offensichtliche Variablen, die gemeinsam zu einer Ineffizienz beitragen können. Diese sind oft schwer zu erfassen und noch schwerer zu lösen, weil es keine wirklichen Metriken gibt, die Auswirkung von Veränderun-gen festzustellen, die an ihnen vorgenommen wurden. Weil der FCTM Öfen kontinuierlich überwacht, ist der Gießereileiter in der Lage, das FCTM als Werkzeug für den kontinuierlichen Verbesse-rungsprozess zu nutzen. Es erstellt Datenanalysen die es ermögli-chen, die Auswirkungen einzelner Prozessschritte auf die Ofen-leistung zu isolieren. Der Gießereileiter kann nun versuchen, auf unterschiedlichen Wegen die Prozessschritte zu beeinflussen und, unter Verwendung der Daten, die Wirkung auf die Ofenleistung zu überprüfen.

Abbildung 8. Abbildung der FCTM Daten - Täglicher kWh-Verbrauch, Metallhöhe, Durchsatz des Tiegelofens.

Abbildung 9. Abbildung von FCTM-‘Raten’ Daten (kWh/kg) für zwei unterschiedliche Elektroöfen.

FCTM - Ü


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Ausgabe 264

Zum Beispiel zeigt Bild 10 eine verkürzte Darstellung von Metallhöhe und Energieverbrauch eines Ofens über einen Zeitraum von mehreren Minuten. Die Aufzeichnung ist in sechs verschiedene Zonen unterteilt, jede von ihnen enthält Informationen darüber, wie der Ofen verwendet wurde:

Zone A: Der Ofendeckel ist geschlossen und der Ofen im Wartezustand; der Energieverbrauch wird genutzt, um die Wärmeverluste durch die Isolierung auszugleichen.

Zone B: Der Ofendeckel ist zur Rotorentgasung geöffnet. Das Metallniveau bleibt gleich, aber der offene Deckel und die Entgasung führen zu Wärmeverlusten, die den Energiebedarf des Ofens erhöhen.

Zone C: Nach der Entgasung wird der Ofendeckel geschlossen und der Ofen geht in den Wartezustand; der Energieverbrauch ist annähernd wie in Zone A, jedoch mit einer leichten Vertiefung, die eine Temperaturüberschreitung andeutet.

Zone D: Der Ofendeckel ist zum Gießen geöffnet. Es erfolgt ein leichter Anstieg des Energieverbrauchs, um die Wärmeverluste durch den offenen Deckel auszugleichen.

Zone E: Das Gießen wird beendet. Masseln und Rücklauf werden chargiert und verursachen einen hohen Bedarf an Energie, dies wiederum führt zu einer abrupten Änderung in der Steigung.

Zone F: Nach Beendigung der Chargierung wurde der Deckel zum Schmelzen des Metalls geschlossen. Der Energiebedarf des Ofens bleibt gleich (100% Leistung), weil die Charge weiter Energie benötigt.

Ein großer Wärmeverlust entsteht durch offene Ofendeckel; einige Gießereien haben die Öffnungszeiten minimiert, um Energie einzusparen. In anderen Gießereien wird ohne Deckel gearbeitet oder der Ofendeckel ist geöffnet, solange der Tiegelofen in Gebrauch ist. Durch das FCTM kann ein Gießereileiter den Effekt eines geschlossenen Ofendeckels überprüfen. Den Ofen länger geschlossen zu halten um Energie zu sparen, ist kein neues Konzept, es ist jedoch neu, genau messen zu können, wie viel Energie verschwendet wird, wenn das nicht getan wird.

Diese Änderung würde eine direkte Wirkung auf die FCTM-Rate (kWh/kg) haben. Mit der Möglichkeit, zu erkennen, wann bestimmte Aktivitäten stattfinden, kann der Gießereileiter auch überprüfen, ob Mitarbeiter von vorgegebenen Praktiken abweichen.

Ein weiteres Beispiel in Bild 11 zeigt, wie der FCTM Metall-Füllstand und Energie aufzeichnet. Die Aufzeichnung ist in fünf verschiedene Zonen unterteilt, von denen jede beschrieben ist:

Zone A: Das Metallniveau nimmt während des Gießens ab. Es gibt einige Zeiten, in denen der Deckel geschlossen ist (horizontale Linien). Der Energieverbrauch ist im Einklang mit dem Wärmeverlust durch den offenen Deckel beim Gießen.

Zone B: Der Ofen ist am minimalen Metallniveau und wird in zwei Stufen mit Flüssigmetall befüllt. Die Energielinie steigt steil an, weil der Ofen auf volle Leistung geht, um die Temperatur des nachgefüllten Metalls zu erhöhen.

Zone C: Der Ofendeckel ist geschlossen, bis das Metall die gewünschte Temperatur erreicht hat. Der Energiebedarf bleibt hoch, bis die Zieltemperatur erreicht ist.

Zone D: Die Zieltemperatur ist erreicht und der Ofen schaltet ab (0% Leistung), bis die Temperatur unter die eingestellte Temperatur sinkt.

Zone E: Bei geschlossenem Deckel und mit Flüssigmetall gefüllt benötigt der Ofen Leistung, um Wärmeverluste an die Umgebung auszugleichen.

Da es sich um eine Zeitfunktion handelt, bekommt man eine genaue Messung der Aufheizzeit (233 Minuten) oder der Schmelzrate (kg/min), wenn das Nachfüllgewicht bekannt ist. Dies sind eventuell wichtige Werte, weil durch eine Verbesserung der Ofenisolierung, eine Veränderung des Tiegeltypes und/oder durch eine Änderung des Nachfüllmaterials Energieeinsparungen erzielt werden können. Diese können mit dem FCTM überwacht werden.

Ein letztes Beispiel ist die Möglichkeit zur Verwendung der FCTM-Daten, um die effizientere Nutzung mehrerer Öfen zu koordinieren. Ein anderer Weg, die Energierate (kWh pro kg) zu verringern, ist die Gießmenge pro Tag/Schicht zu erhöhen. In vielen Gießzellen mit mehreren Öfen wird nach dem Entleeren ein zweiter Ofen benutzt, während der erste befüllt und behandelt wird. Wenn der zweite entleert ist, wird wieder aus dem ersten gegossen, usw. Abbildung 12 zeigt ein Beispiel, bei dem zwei Öfen in Reihe verwendet und durch den FCTM überwacht werden. Erst Ofen 1, dann Ofen 2, dann Ofen 1.

Beachten Sie die Zeitspanne im Übergang beim Gießen von Ofen 1 und 2 (Zone B = 88 Minuten) und dann von Ofen 2 zurück zu Ofen 1 (Linie C – 0 Minuten). Es gibt viele Schritte, die notwendig sind, um einen Ofen auf das Gießen vorzubereiten (Nachfüllen, Rotorentgasung, Erreichen der Gießtemperatur), aber

Abbildung 10. Abbildung von FCTM-Daten zur Veranschaulichung der Möglichkeit, einzelne Vorgänge zu betrachten.

Abbildung 11. FCTM-Daten zeigen die Möglichkeit zur Bestimmung von Schmelzrate und Aufheizzeit.

durch die Auswertung der FCTM-Daten können Möglichkeiten zur Effizienzsteigerung identifiziert werden. Der Gießereileiter kann Zone B als verlorene Zeit identifizieren und anschließend Änderungen am Nachfüllprogramm vornehmen (kürzerer Prozess), um diese Lücke zu minimieren, und mit weiteren FCTM-Daten seinen Erfolg überwachen.

Nebenbei bemerkt zeigen die Aufzeichnungen in Zone A das Chargieren von festem Material und einem danach geschlossenen Deckel. Das Ansteigen des Metallniveaus durch das Schmelzen von Metall kann vom FCTM nicht gemessen werden, bis der Deckel wieder geöffnet wird, dies zeigt der sprunghafte Anstieg.

Hinweis zur TemperaturmessungDer FCTM hat die Fähigkeit, die Ofentemperatur zu messen und aufzuzeichnen. In den Alpha- und Betatests des FCTM konnte diese Funktion entweder von der Gießerei nicht gemessen werden oder sie entschied sich dazu, diese Funktion nicht zu nutzen. Daher gibt es derzeit keine Daten aus Studien, die Temperaturmessungen einschließen. Der Nutzen dieser Funktion ist, dass man die direkten Auswirkungen der Aktivitäten am Ofen auf die Metalltemperatur beobachten kann, insbesondere den Wärmeverlust in Wartezeiten oder bei offenem Deckel. Der Temperaturverlauf kann aus der Ofenenergie gefolgert werden, jedoch gibt es Einschränkungen bei dieser Methode, Energietrends können nicht mehrere Änderungen anzeigen, die jedoch vorkommen. Temperaturdaten im Zusammenhang mit Daten zu Energie und Durchsatz bieten weitere Informationen, die einen besseren Einblick in den gesamten Ofenbetrieb geben.

ZusammenfassungIn den meisten Gießereien wird eine bessere Effizienz gleichgesetzt mit Einsparungen an Energie, Zeit oder Geld.

Der FCTM ist ein technisch modernes Gerät, das in einer Gießerei verwendet werden kann, um einzelne oder mehrere Tiegelöfen zu überwachen oder sie zu vergleichen. Es ermöglicht ein besseres Verständnis, wie die Ofenleistung zur gesamten Leistung des Be-triebs beiträgt. Die Hauptaufgabe besteht in der Messung der Ener-gieeffizienz, einer der Hauptkostenfaktoren für Gießereien, insbe-sondere in Ländern mit CO

2-Steuern und „grünen“ Initiativen, um

eine verschwenderische Energienutzung zu reduzieren. Aufgrund des Verfahrens, wie der FCTM diese Ergebnisse bestimmt, werden auch andere interessante Daten gesammelt, die verwendet wer-den können, um genauer zu untersuchen, wie ein Ofen verwendet wird. In dem Maße, wie es der FCTM erlaubt, können Stärken und Schwächen von Gießereipraktiken aufgedeckt werden sowie Ziele zur Verbesserung der Ofenleistung generiert werden.

Wenn kontinuierlich Verbesserungen an jedem Ofen vorgenommen werden, kann der Effekt eine erhebliche Einsparung an Zeit und Energie bedeuten. Wenn für jeweils zwei Tiegelöfen Gesamteinsparungen erreicht werden, die den Preis eines Tiegels entsprechen, so reduzieren sich die Tiegelkosten um 50 %. Es wurde in einigen Versuchen, bei denen der FCTM zur Überwachung der Energieeffizienz verschiedener Tiegelqualitäten eingesetzt wurde, nachgewiesen, dass bei der Verwendung eines energieeffizienteren Tiegels, wie des ENERTEK-Tiegels, fast die gesamten Kosten des Tiegels über seine Lebensdauer eingespart werden konnten und das sogar, ohne die FCTM-Daten zu analysieren, um die Praktiken zu optimieren. Ohne die FCTM-Daten kann ein Gießereileiter zwar eine Änderung im Energieverbrauch feststellen, er hat jedoch keine Möglichkeit, diese zu rekonstruieren oder zu verstehen, wieviel Einfluss ein Tiegel auf den Betrieb hat.

Es ist ein Vorteil, dass der FCTM eine große Menge an Informationen sammelt, die vom Gießereileiter in mehrfacher Hinsicht verwendet werden können. Die Standard FCTM-Ausgabe besteht in einfachen Metriken, die universell verstanden werden (Energieverbrach/Zeit, Durchsatz/Zeit, Temperatur/Zeit). Diese beschreiben die Leistung eines Tiegelofens in einfachen Begriffen. Falls gewünscht können die restlichen Daten verwendet werden, um tiefer in die Grundprinzipien des Betriebs der Gießerei einzutauchen und zu verstehen, wie der Ofen benutzt wird und wie sich das auf die Leistung auswirkt. Aus diesen Gründen ist der FCTM nicht nur ein Energiemonitor, sondern auch ein umfassendes Werkzeug für das Qualitätsmanagement-System einer Gießerei.

DanksagungDie Autoren bedanken sich bei den entsprechenden Firmen für die zur Verfügung gestellten Mittel und die Möglichkeit, diese zu veröffentlichen. Ein besonderer Dank gilt Herrn Michel Dussud, Operations Manager bei Avemis, für die Koordinierung der Entwicklung des FCTM-Prototyps. Wir möchten auch Herrn Corentin Picard (Vesuvius), Herrn Andrew Moores (Foseco) und Herrn Ron Schaar (Foseco) für ihre Expertise und Einsicht in das Material danken. Vielen Dank auch an Herrn Doug Harty (Foseco), Herrn Larry Bauer (Foseco) und Herrn Andrew Walker (Foseco) für den Support der Alpha- und Beta-Testversion vor Ort. Schließlich danken wir auch Herrn Mike Hankin (Foseco) für die Konzeption der Idee, die schließlich zum FCTM führte.

Referenzen 1. Statista – Statistics Portal. Abgerufen von www.statista.com

(2014).

2. Abgerufen von www.data360.org (2014)

3. Abgerufen von www.theoildrum.com (2014)

4. Melting Aluminum: Does Higher Energy Efficiency Equal Lower Operating Cost?, R.J. Nealon, Diecasting Engineer Magazine, pp. 1 – 3 (2004)

Zusätzliche Ressourcen

+ www.foseco.com

+ www.vesuvius.com

Bild 12. Abbildung von FCTM-Daten zeigt die abwechselnde Verwendung zweier Öfen und die Effizienz des Übergangs.

15

Zum Beispiel zeigt Bild 10 eine verkürzte Darstellung von Metallhöhe und Energieverbrauch eines Ofens über einen Zeitraum von mehreren Minuten. Die Aufzeichnung ist in sechs verschiedene Zonen unterteilt, jede von ihnen enthält Informationen darüber, wie der Ofen verwendet wurde:

Zone A: Der Ofendeckel ist geschlossen und der Ofen im Wartezustand; der Energieverbrauch wird genutzt, um die Wärmeverluste durch die Isolierung auszugleichen.

Zone B: Der Ofendeckel ist zur Rotorentgasung geöffnet. Das Metallniveau bleibt gleich, aber der offene Deckel und die Entgasung führen zu Wärmeverlusten, die den Energiebedarf des Ofens erhöhen.

Zone C: Nach der Entgasung wird der Ofendeckel geschlossen und der Ofen geht in den Wartezustand; der Energieverbrauch ist annähernd wie in Zone A, jedoch mit einer leichten Vertiefung, die eine Temperaturüberschreitung andeutet.

Zone D: Der Ofendeckel ist zum Gießen geöffnet. Es erfolgt ein leichter Anstieg des Energieverbrauchs, um die Wärmeverluste durch den offenen Deckel auszugleichen.

Zone E: Das Gießen wird beendet. Masseln und Rücklauf werden chargiert und verursachen einen hohen Bedarf an Energie, dies wiederum führt zu einer abrupten Änderung in der Steigung.

Zone F: Nach Beendigung der Chargierung wurde der Deckel zum Schmelzen des Metalls geschlossen. Der Energiebedarf des Ofens bleibt gleich (100% Leistung), weil die Charge weiter Energie benötigt.

Ein großer Wärmeverlust entsteht durch offene Ofendeckel; einige Gießereien haben die Öffnungszeiten minimiert, um Energie einzusparen. In anderen Gießereien wird ohne Deckel gearbeitet oder der Ofendeckel ist geöffnet, solange der Tiegelofen in Gebrauch ist. Durch das FCTM kann ein Gießereileiter den Effekt eines geschlossenen Ofendeckels überprüfen. Den Ofen länger geschlossen zu halten um Energie zu sparen, ist kein neues Konzept, es ist jedoch neu, genau messen zu können, wie viel Energie verschwendet wird, wenn das nicht getan wird.

Diese Änderung würde eine direkte Wirkung auf die FCTM-Rate (kWh/kg) haben. Mit der Möglichkeit, zu erkennen, wann bestimmte Aktivitäten stattfinden, kann der Gießereileiter auch überprüfen, ob Mitarbeiter von vorgegebenen Praktiken abweichen.

Ein weiteres Beispiel in Bild 11 zeigt, wie der FCTM Metall-Füllstand und Energie aufzeichnet. Die Aufzeichnung ist in fünf verschiedene Zonen unterteilt, von denen jede beschrieben ist:

Zone A: Das Metallniveau nimmt während des Gießens ab. Es gibt einige Zeiten, in denen der Deckel geschlossen ist (horizontale Linien). Der Energieverbrauch ist im Einklang mit dem Wärmeverlust durch den offenen Deckel beim Gießen.

Zone B: Der Ofen ist am minimalen Metallniveau und wird in zwei Stufen mit Flüssigmetall befüllt. Die Energielinie steigt steil an, weil der Ofen auf volle Leistung geht, um die Temperatur des nachgefüllten Metalls zu erhöhen.

Zone C: Der Ofendeckel ist geschlossen, bis das Metall die gewünschte Temperatur erreicht hat. Der Energiebedarf bleibt hoch, bis die Zieltemperatur erreicht ist.

Zone D: Die Zieltemperatur ist erreicht und der Ofen schaltet ab (0% Leistung), bis die Temperatur unter die eingestellte Temperatur sinkt.

Zone E: Bei geschlossenem Deckel und mit Flüssigmetall gefüllt benötigt der Ofen Leistung, um Wärmeverluste an die Umgebung auszugleichen.

Da es sich um eine Zeitfunktion handelt, bekommt man eine genaue Messung der Aufheizzeit (233 Minuten) oder der Schmelzrate (kg/min), wenn das Nachfüllgewicht bekannt ist. Dies sind eventuell wichtige Werte, weil durch eine Verbesserung der Ofenisolierung, eine Veränderung des Tiegeltypes und/oder durch eine Änderung des Nachfüllmaterials Energieeinsparungen erzielt werden können. Diese können mit dem FCTM überwacht werden.

Ein letztes Beispiel ist die Möglichkeit zur Verwendung der FCTM-Daten, um die effizientere Nutzung mehrerer Öfen zu koordinieren. Ein anderer Weg, die Energierate (kWh pro kg) zu verringern, ist die Gießmenge pro Tag/Schicht zu erhöhen. In vielen Gießzellen mit mehreren Öfen wird nach dem Entleeren ein zweiter Ofen benutzt, während der erste befüllt und behandelt wird. Wenn der zweite entleert ist, wird wieder aus dem ersten gegossen, usw. Abbildung 12 zeigt ein Beispiel, bei dem zwei Öfen in Reihe verwendet und durch den FCTM überwacht werden. Erst Ofen 1, dann Ofen 2, dann Ofen 1.

Beachten Sie die Zeitspanne im Übergang beim Gießen von Ofen 1 und 2 (Zone B = 88 Minuten) und dann von Ofen 2 zurück zu Ofen 1 (Linie C – 0 Minuten). Es gibt viele Schritte, die notwendig sind, um einen Ofen auf das Gießen vorzubereiten (Nachfüllen, Rotorentgasung, Erreichen der Gießtemperatur), aber

Abbildung 10. Abbildung von FCTM-Daten zur Veranschaulichung der Möglichkeit, einzelne Vorgänge zu betrachten.

Abbildung 11. FCTM-Daten zeigen die Möglichkeit zur Bestimmung von Schmelzrate und Aufheizzeit.

durch die Auswertung der FCTM-Daten können Möglichkeiten zur Effizienzsteigerung identifiziert werden. Der Gießereileiter kann Zone B als verlorene Zeit identifizieren und anschließend Änderungen am Nachfüllprogramm vornehmen (kürzerer Prozess), um diese Lücke zu minimieren, und mit weiteren FCTM-Daten seinen Erfolg überwachen.

Nebenbei bemerkt zeigen die Aufzeichnungen in Zone A das Chargieren von festem Material und einem danach geschlossenen Deckel. Das Ansteigen des Metallniveaus durch das Schmelzen von Metall kann vom FCTM nicht gemessen werden, bis der Deckel wieder geöffnet wird, dies zeigt der sprunghafte Anstieg.

Hinweis zur TemperaturmessungDer FCTM hat die Fähigkeit, die Ofentemperatur zu messen und aufzuzeichnen. In den Alpha- und Betatests des FCTM konnte diese Funktion entweder von der Gießerei nicht gemessen werden oder sie entschied sich dazu, diese Funktion nicht zu nutzen. Daher gibt es derzeit keine Daten aus Studien, die Temperaturmessungen einschließen. Der Nutzen dieser Funktion ist, dass man die direkten Auswirkungen der Aktivitäten am Ofen auf die Metalltemperatur beobachten kann, insbesondere den Wärmeverlust in Wartezeiten oder bei offenem Deckel. Der Temperaturverlauf kann aus der Ofenenergie gefolgert werden, jedoch gibt es Einschränkungen bei dieser Methode, Energietrends können nicht mehrere Änderungen anzeigen, die jedoch vorkommen. Temperaturdaten im Zusammenhang mit Daten zu Energie und Durchsatz bieten weitere Informationen, die einen besseren Einblick in den gesamten Ofenbetrieb geben.

ZusammenfassungIn den meisten Gießereien wird eine bessere Effizienz gleichgesetzt mit Einsparungen an Energie, Zeit oder Geld.

Der FCTM ist ein technisch modernes Gerät, das in einer Gießerei verwendet werden kann, um einzelne oder mehrere Tiegelöfen zu überwachen oder sie zu vergleichen. Es ermöglicht ein besseres Verständnis, wie die Ofenleistung zur gesamten Leistung des Be-triebs beiträgt. Die Hauptaufgabe besteht in der Messung der Ener-gieeffizienz, einer der Hauptkostenfaktoren für Gießereien, insbe-sondere in Ländern mit CO

2-Steuern und „grünen“ Initiativen, um

eine verschwenderische Energienutzung zu reduzieren. Aufgrund des Verfahrens, wie der FCTM diese Ergebnisse bestimmt, werden auch andere interessante Daten gesammelt, die verwendet wer-den können, um genauer zu untersuchen, wie ein Ofen verwendet wird. In dem Maße, wie es der FCTM erlaubt, können Stärken und Schwächen von Gießereipraktiken aufgedeckt werden sowie Ziele zur Verbesserung der Ofenleistung generiert werden.

Wenn kontinuierlich Verbesserungen an jedem Ofen vorgenommen werden, kann der Effekt eine erhebliche Einsparung an Zeit und Energie bedeuten. Wenn für jeweils zwei Tiegelöfen Gesamteinsparungen erreicht werden, die den Preis eines Tiegels entsprechen, so reduzieren sich die Tiegelkosten um 50 %. Es wurde in einigen Versuchen, bei denen der FCTM zur Überwachung der Energieeffizienz verschiedener Tiegelqualitäten eingesetzt wurde, nachgewiesen, dass bei der Verwendung eines energieeffizienteren Tiegels, wie des ENERTEK-Tiegels, fast die gesamten Kosten des Tiegels über seine Lebensdauer eingespart werden konnten und das sogar, ohne die FCTM-Daten zu analysieren, um die Praktiken zu optimieren. Ohne die FCTM-Daten kann ein Gießereileiter zwar eine Änderung im Energieverbrauch feststellen, er hat jedoch keine Möglichkeit, diese zu rekonstruieren oder zu verstehen, wieviel Einfluss ein Tiegel auf den Betrieb hat.

Es ist ein Vorteil, dass der FCTM eine große Menge an Informationen sammelt, die vom Gießereileiter in mehrfacher Hinsicht verwendet werden können. Die Standard FCTM-Ausgabe besteht in einfachen Metriken, die universell verstanden werden (Energieverbrach/Zeit, Durchsatz/Zeit, Temperatur/Zeit). Diese beschreiben die Leistung eines Tiegelofens in einfachen Begriffen. Falls gewünscht können die restlichen Daten verwendet werden, um tiefer in die Grundprinzipien des Betriebs der Gießerei einzutauchen und zu verstehen, wie der Ofen benutzt wird und wie sich das auf die Leistung auswirkt. Aus diesen Gründen ist der FCTM nicht nur ein Energiemonitor, sondern auch ein umfassendes Werkzeug für das Qualitätsmanagement-System einer Gießerei.

DanksagungDie Autoren bedanken sich bei den entsprechenden Firmen für die zur Verfügung gestellten Mittel und die Möglichkeit, diese zu veröffentlichen. Ein besonderer Dank gilt Herrn Michel Dussud, Operations Manager bei Avemis, für die Koordinierung der Entwicklung des FCTM-Prototyps. Wir möchten auch Herrn Corentin Picard (Vesuvius), Herrn Andrew Moores (Foseco) und Herrn Ron Schaar (Foseco) für ihre Expertise und Einsicht in das Material danken. Vielen Dank auch an Herrn Doug Harty (Foseco), Herrn Larry Bauer (Foseco) und Herrn Andrew Walker (Foseco) für den Support der Alpha- und Beta-Testversion vor Ort. Schließlich danken wir auch Herrn Mike Hankin (Foseco) für die Konzeption der Idee, die schließlich zum FCTM führte.

Referenzen 1. Statista – Statistics Portal. Abgerufen von www.statista.com

(2014).

2. Abgerufen von www.data360.org (2014)

3. Abgerufen von www.theoildrum.com (2014)

4. Melting Aluminum: Does Higher Energy Efficiency Equal Lower Operating Cost?, R.J. Nealon, Diecasting Engineer Magazine, pp. 1 – 3 (2004)

Zusätzliche Ressourcen

+ www.foseco.com

+ www.vesuvius.com

Bild 12. Abbildung von FCTM-Daten zeigt die abwechselnde Verwendung zweier Öfen und die Effizienz des Übergangs.

FCTM - Ü


16

Ausgabe 264

CMYKGrey : 0 / 0 / 0 /85Red : 0 / 100 / 96 / 0

Aluminiumgießereien stellen heute eine Vielzahl unterschiedlicher Gussstücke her. Die Kunden fordern immer dünnere und leichtere Bauteile aus neuen und weiterentwickelten Legierungen, die immer höheren Belastungen standhalten müssen. Auch die Produkteigenschaften sollen dabei weiter verbessert werden. Mit den steigenden Anforderungen an die Gussstücke müssen die Gießereien immer größere Anstrengungen unternehmen, um ihren gesamten Herstellungsprozess zu steuern und zu überwachen.

Am Anfang des Prozesses steht die Analyse der Legierung, die geschmolzen wird. Deshalb wird es immer wichtiger, Schmelzequalität vor dem Vergießen zu messen und Einflussgrößen zu verstehen.

Bis in die jüngere Vergangenheit haben die Gießereien die Gussstücke im Rahmen ihrer bestehenden Prozesse gegossen und anschließend in zerstörungsfreien Prüfungen deren Eignung für den späteren Einsatz überprüft. Mehr und mehr geht man jetzt dazu über, die Schmelzequalität vor dem eigentlichen Vergießen zu analysieren. Das Bestimmen der Schmelzeeigenschaften ist der erste Schritt zur aktiven Beeinflussung der Qualität der Schmelze.

Die wichtigsten Eigenschaften einer Schmelze kann der Gießer wie folgt zusammenfassen:

• Wasserstoffgehalt im Aluminium vor dem Vergießen

• Reinheit der Schmelze, damit das Gussstück oxidfrei bleibt

• Mikrostruktur des fertigen Produkts

Viele Gießereien betreiben eine zentrale Schmelzerei, um hohe Produktivität bei geringen Kosten zu erzielen. Dadurch muss die Schmelze jedoch mehrfach umgefüllt und transportiert werden, bevor sie in die eigentliche Form gefüllt wird. Jeder Transport- und Umfüllvorgang ist jedoch eine Quelle für Wasserstoff und Oxide.

Die Gießereien müssen sich der Veränderungen in der Schmelzequalität über den gesamten Verarbeitungsprozess hinweg bewusst sein. Somit ist es wichtig, dass sie in der Lage sind, die Qualität und den Zustand der Schmelze in den folgenden Prozessschritten zu bestimmen:

• Chargieren• Schmelzen• Warmhalten• Schmelzebehandlung• Schmelzetransport• Gießen

Für diese Untersuchungen sind eine Vielzahl geeigneter Messmethoden nötig, die es zu entwickeln galt. Während der letzten fünf Jahre hat sich Foseco intensiv mit der Entwicklung solcher Messverfahren beschäftigt. Dieser Bericht beschreibt diese Verfahren und diskutiert einige Ergebnisse, die in letzter Zeit damit gewonnen wurden.

Messung von gelöstem WasserstoffFlüssiges Aluminium ist sehr reaktiv und reduziert Wasserdampf aus der Atmosphäre unter Bildung von Aluminiumoxid und Wasserstoff. Der molekulare Wasserstoff dissoziiert, diffundiert in die Schmelze und löst sich dort in atomarer Form. Insbesondere beim Erstarren wird die Löslichkeit drastisch vermindert und der dabei freigesetzte gasförmige Wasserstoff scheidet sich in Form kleinster Gasblasen im gesamten Gussstück aus. Diese porösen Stellen sind zwar nicht unbedingt miteinander verbunden, bilden aber trotzdem Schwachstellen und wirken unansehnlich, besonders bei bearbeiteten Oberflächen.

Im umgekehrten Fall kann ein zu geringer Wasserstoffgehalt zu Schrumpfungsproblemen in den zuletzt erstarrenden Bereichen führen. Fehlende Volumenkompensation durch einen zu geringen Wasserstoffgehalt in der Schmelze und damit fehlende Gasausscheidung in den kritischen Bereichen, kann bei Speisungsproblemen am Gussstück in Einfallstellen oder Schwindungsporosität resultieren. Die Messung und gezielte Einstellung eines bestimmten, auf das Gussstück und das Speisungsverhalten abgestimmten Wasserstoffgehalts in der Schmelze ist äußerst vorteilhaft.

MeltMap Audit - Die Überprüfung der Schmelzequalität in Aluminiumgießereien

Die Rotorentgasung mit dem FDR Rotor entgast Schmelze bis zu einem vorgegebenen Wasserstoffgehalt, kann jedoch die nachfolgende Wiederaufgasung beim Abstehen oder Gießen nicht unterbinden. Deswegen kann eine kontinuierliche Wasserstoffmessung nach der eigentlichen Entgasung zusätzliche Sicherheit für den Prozess geben.

Zylinderkopf-gießerei 1000 kg

Transportpfanne

Wasserstoff cm3/100g


Dichte-index

vor der Behandlung

0,43 nach 8 Minuten Behandlung mit

XSR Rotor

0,08 0,20%

vor der Behandlung


XSR Rotor

0,08 0,20%

vor der Behandlung


XSR Rotor

0,08 0,40%

Die Behandlung mit XSR Rotoren liefert gleichmäßige Wasserstoffgehalte in der Schmelze.

EntgasungssimulationZusammen mit unserem Partner Technology Strategy Consultants (UK) haben wir, basierend auf einem mathematischen Modell und einer Vielzahl eigener Untersuchungen, den Rotorentgasungsprozess entwickelt. Dabei werden die folgenden Variablen berücksichtigt:

• Legierung

• Umgebungsbedingungen

• Kinetik der Entgasung

• Diffusionskoeffizienten

• Geräteeinstellung des FDU

• Rotordesign und -durchmesser

• Wiederaufgasung durch Oberflächeneffekte

Das Modell kann im ersten Schritt die Ergebnisse der Entgasung mit den typischen Geräteeinstellungen bestätigen. Durch die Auswahl unterschiedlicher Rotordesigns und -geschwindigkeiten oder verschiedener Inertgasmengen können ohne großen Aufwand mögliche Verbesserungen aufgezeigt werden.

Dadurch kann die Gießerei sehr schnell und ohne aufwändige Versuche die beste Parameterauswahl für das FDU Gerät treffen.

Basierend auf dem durchgeführten MeltMap Audit wird in Abbildung 2 die Optimierung beim Einsatz eines XSR 190 Rotors in einem BU 700 Tiegel bei 770 °C gezeigt.

Typische Werte von Gießereien

Sicherheits-bauteile

1000 kg Trans-portpfanne



vor der Behandlung

0,27 nach 4 Minuten Behandlung mit XSR Rotor

0,11

vor der Behandlung


0,12

Ofendrehtisch 0,12

Ofendrehtisch 0,10

Ofendrehtisch 0,19

Die Rotorentgasung mit dem XSR Rotor ermöglicht sehr konstante Resultate bei der Wasserstoffentfernung. Mit der Zeit wird Wasserstoff jedoch wieder von der Schmelze aufgenommen, bis hin zum Gleichgewicht; Gründe dafür sind Luftfeuchtigkeit in der Atmosphäre, Schmelzebewegung durch den Schöpfprozess oder Wechselwirkung mit der feuerfesten Zustellung. Dadurch können die gegossenen Teile in der Qualität schwanken. Eine kontinuierliche Messung des Wasserstoffgehalts kann beim Über- oder Unterschreiten von Grenzen den Gießprozess stoppen und es wird das Abgießen von fehlerhaften Teilen unterbunden. Die Überwachung der Schmelze generiert so einen direkten Nutzen für den Anwender.

Späneschmelzer 800 kg

gasbeheizter Ofen

cm3/100g cm3/100g

vor der Behandlung

0,60 nach 20 Minuten Behandlung mit FDR Rotor

0,07

vor der Behandlung


0,19

Viele Gießereien schmelzen aus Kostengründen Schrott und Späne selber um. Trotz intensiver Reinigung und Trocknung des Rücklaufs sind besonders Späne eine Quelle für Wasserstoff und Oxide. Die Schmelzeentgasung und -reinigung mit dem FDR Rotor ist sehr effektiv, besonders bei der Entfernung großer Mengen an so eingetragenen Verunreinigungen.

Rädergießerei 800 kg

Transport-pfanne AlSi11G

cm3/100g cm3/100g Dichte

vor der Behandlung

0,35 nach 8 Min. FDR Rotor

0,17 2,587

vor der Behandlung


0,18 2,597

vor der Behandlung


0,19 2,585

Niederdruck-ofen

0,18 Niederdruck-ofen

0,22

Niederdruck-ofen


0,12

Niederdruck-ofen


0,13

Niederdruck-ofen


0,24

Niederdruck-ofen


0,28

Niederdruck-ofen

0,17

Tabelle 1. Sicherheitsbauteile

Tabelle 2. Einschmelzen von Spänen

Tabelle 3. Räderguss

Tabelle 4. Zylinderköpfe

17

Aluminiumgießereien stellen heute eine Vielzahl unterschiedlicher Gussstücke her. Die Kunden fordern immer dünnere und leichtere Bauteile aus neuen und weiterentwickelten Legierungen, die immer höheren Belastungen standhalten müssen. Auch die Produkteigenschaften sollen dabei weiter verbessert werden. Mit den steigenden Anforderungen an die Gussstücke müssen die Gießereien immer größere Anstrengungen unternehmen, um ihren gesamten Herstellungsprozess zu steuern und zu überwachen.

Am Anfang des Prozesses steht die Analyse der Legierung, die geschmolzen wird. Deshalb wird es immer wichtiger, Schmelzequalität vor dem Vergießen zu messen und Einflussgrößen zu verstehen.

Bis in die jüngere Vergangenheit haben die Gießereien die Gussstücke im Rahmen ihrer bestehenden Prozesse gegossen und anschließend in zerstörungsfreien Prüfungen deren Eignung für den späteren Einsatz überprüft. Mehr und mehr geht man jetzt dazu über, die Schmelzequalität vor dem eigentlichen Vergießen zu analysieren. Das Bestimmen der Schmelzeeigenschaften ist der erste Schritt zur aktiven Beeinflussung der Qualität der Schmelze.

Die wichtigsten Eigenschaften einer Schmelze kann der Gießer wie folgt zusammenfassen:

• Wasserstoffgehalt im Aluminium vor dem Vergießen

• Reinheit der Schmelze, damit das Gussstück oxidfrei bleibt

• Mikrostruktur des fertigen Produkts

Viele Gießereien betreiben eine zentrale Schmelzerei, um hohe Produktivität bei geringen Kosten zu erzielen. Dadurch muss die Schmelze jedoch mehrfach umgefüllt und transportiert werden, bevor sie in die eigentliche Form gefüllt wird. Jeder Transport- und Umfüllvorgang ist jedoch eine Quelle für Wasserstoff und Oxide.

Die Gießereien müssen sich der Veränderungen in der Schmelzequalität über den gesamten Verarbeitungsprozess hinweg bewusst sein. Somit ist es wichtig, dass sie in der Lage sind, die Qualität und den Zustand der Schmelze in den folgenden Prozessschritten zu bestimmen:

• Chargieren• Schmelzen• Warmhalten• Schmelzebehandlung• Schmelzetransport• Gießen

Für diese Untersuchungen sind eine Vielzahl geeigneter Messmethoden nötig, die es zu entwickeln galt. Während der letzten fünf Jahre hat sich Foseco intensiv mit der Entwicklung solcher Messverfahren beschäftigt. Dieser Bericht beschreibt diese Verfahren und diskutiert einige Ergebnisse, die in letzter Zeit damit gewonnen wurden.

Messung von gelöstem WasserstoffFlüssiges Aluminium ist sehr reaktiv und reduziert Wasserdampf aus der Atmosphäre unter Bildung von Aluminiumoxid und Wasserstoff. Der molekulare Wasserstoff dissoziiert, diffundiert in die Schmelze und löst sich dort in atomarer Form. Insbesondere beim Erstarren wird die Löslichkeit drastisch vermindert und der dabei freigesetzte gasförmige Wasserstoff scheidet sich in Form kleinster Gasblasen im gesamten Gussstück aus. Diese porösen Stellen sind zwar nicht unbedingt miteinander verbunden, bilden aber trotzdem Schwachstellen und wirken unansehnlich, besonders bei bearbeiteten Oberflächen.

Im umgekehrten Fall kann ein zu geringer Wasserstoffgehalt zu Schrumpfungsproblemen in den zuletzt erstarrenden Bereichen führen. Fehlende Volumenkompensation durch einen zu geringen Wasserstoffgehalt in der Schmelze und damit fehlende Gasausscheidung in den kritischen Bereichen, kann bei Speisungsproblemen am Gussstück in Einfallstellen oder Schwindungsporosität resultieren. Die Messung und gezielte Einstellung eines bestimmten, auf das Gussstück und das Speisungsverhalten abgestimmten Wasserstoffgehalts in der Schmelze ist äußerst vorteilhaft.

MeltMap Audit - Die Überprüfung der Schmelzequalität in Aluminiumgießereien

Die Rotorentgasung mit dem FDR Rotor entgast Schmelze bis zu einem vorgegebenen Wasserstoffgehalt, kann jedoch die nachfolgende Wiederaufgasung beim Abstehen oder Gießen nicht unterbinden. Deswegen kann eine kontinuierliche Wasserstoffmessung nach der eigentlichen Entgasung zusätzliche Sicherheit für den Prozess geben.

Zylinderkopf-gießerei 1000 kg

Transportpfanne



Dichte-index

vor der Behandlung


XSR Rotor

0,08 0,20%

vor der Behandlung


XSR Rotor

0,08 0,20%

vor der Behandlung


XSR Rotor

0,08 0,40%

Die Behandlung mit XSR Rotoren liefert gleichmäßige Wasserstoffgehalte in der Schmelze.

EntgasungssimulationZusammen mit unserem Partner Technology Strategy Consultants (UK) haben wir, basierend auf einem mathematischen Modell und einer Vielzahl eigener Untersuchungen, den Rotorentgasungsprozess entwickelt. Dabei werden die folgenden Variablen berücksichtigt:

• Legierung

• Umgebungsbedingungen

• Kinetik der Entgasung

• Diffusionskoeffizienten

• Geräteeinstellung des FDU

• Rotordesign und -durchmesser

• Wiederaufgasung durch Oberflächeneffekte

Das Modell kann im ersten Schritt die Ergebnisse der Entgasung mit den typischen Geräteeinstellungen bestätigen. Durch die Auswahl unterschiedlicher Rotordesigns und -geschwindigkeiten oder verschiedener Inertgasmengen können ohne großen Aufwand mögliche Verbesserungen aufgezeigt werden.

Dadurch kann die Gießerei sehr schnell und ohne aufwändige Versuche die beste Parameterauswahl für das FDU Gerät treffen.

Basierend auf dem durchgeführten MeltMap Audit wird in Abbildung 2 die Optimierung beim Einsatz eines XSR 190 Rotors in einem BU 700 Tiegel bei 770 °C gezeigt.

Typische Werte von Gießereien

Sicherheits-bauteile

1000 kg Trans-portpfanne



vor der Behandlung


0,11

vor der Behandlung


0,12

Ofendrehtisch 0,12

Ofendrehtisch 0,10

Ofendrehtisch 0,19

Die Rotorentgasung mit dem XSR Rotor ermöglicht sehr konstante Resultate bei der Wasserstoffentfernung. Mit der Zeit wird Wasserstoff jedoch wieder von der Schmelze aufgenommen, bis hin zum Gleichgewicht; Gründe dafür sind Luftfeuchtigkeit in der Atmosphäre, Schmelzebewegung durch den Schöpfprozess oder Wechselwirkung mit der feuerfesten Zustellung. Dadurch können die gegossenen Teile in der Qualität schwanken. Eine kontinuierliche Messung des Wasserstoffgehalts kann beim Über- oder Unterschreiten von Grenzen den Gießprozess stoppen und es wird das Abgießen von fehlerhaften Teilen unterbunden. Die Überwachung der Schmelze generiert so einen direkten Nutzen für den Anwender.

Späneschmelzer 800 kg

gasbeheizter Ofen

cm3/100g cm3/100g

vor der Behandlung


0,07

vor der Behandlung


0,19

Viele Gießereien schmelzen aus Kostengründen Schrott und Späne selber um. Trotz intensiver Reinigung und Trocknung des Rücklaufs sind besonders Späne eine Quelle für Wasserstoff und Oxide. Die Schmelzeentgasung und -reinigung mit dem FDR Rotor ist sehr effektiv, besonders bei der Entfernung großer Mengen an so eingetragenen Verunreinigungen.

Rädergießerei 800 kg

Transport-pfanne AlSi11G

cm3/100g cm3/100g Dichte

vor der Behandlung


0,17 2,587

vor der Behandlung


0,18 2,597

vor der Behandlung


0,19 2,585

Niederdruck-ofen


0,22

Niederdruck-ofen


0,12

Niederdruck-ofen


0,13

Niederdruck-ofen


0,24

Niederdruck-ofen


0,28

Niederdruck-ofen

0,17

Tabelle 1. Sicherheitsbauteile

Tabelle 2. Einschmelzen von Spänen

Tabelle 3. Räderguss

Tabelle 4. Zylinderköpfe

MeltM

ap Audit - Die Überprüfung der Schm

elzequalität in Aluminium

gießereien

18

Ausgabe 264

Messung der SchmelzereinheitAm Markt werden momentan verschiedene Verfahren zur Bestimmung der Schmelzereinheit angeboten; einige hochentwickelte Methoden sind jedoch sehr teuer, während einfache Tests oft noch nicht für den täglichen Gießereiprozess geeignet oder zu ungenau sind.

Als Kompromiss hat Foseco zwei Verfahren für die Anwendung in Aluminiumgießereien angepasst und etabliert:

• Probennahme mit der K-Mould Kokille

• Vmet Analyseverfahren

Probennahme mit der K-Mould KokilleNach der Probennahme mit der K-Mould Kokille (Abbildung 3) kann der Probestab entlang der Einkerbungen sehr einfach in einzelne Abschnitte gebrochen und die Bruchflächen nachfolgend visuell beurteilt werden.

Abbildung 2. K-Mould Kokille

Abbildung 1. Simulation der Entgasungskurve eines XSR 190 Rotors im BU 700 bei 770 °C.

Vmet AnalyseverfahrenDie Bruchflächenuntersuchung macht normalerweise nur grobe Verunreinigungen sichtbar. Für umfassendere Ergebnisse sind weiterführende Untersuchungen notwendig. Dazu müssen die einzelnen Probekörper poliert und mit einem SEM (Scanning Electron Microscope), gekoppelt mit einer automatisierten Bildauswertung, analysiert werden. Diese Methode wird als Vmet Analyseverfahren bezeichnet.

Die Bildauswertung identifiziert die folgenden Merkmale:

• Porosität

• Aluminiumoxide

• Oxide anderer Elemente

Das Vmet Verfahren identifiziert, zählt und vermisst solche Merkmale; Tabelle 5 und 6 zeigen einen solchen Bericht.

MeltMap AuditEin MeltMap Audit kombiniert alle vorstehend beschriebenen Methoden. Foseco bietet damit eine umfassende Methode zur Beurteilung der Schmelzequalität in allen Prozessschritten der Gießerei an. Der Analyseprozess eignet sich ebenfalls zur Charakterisierung unterschiedlicher Einsatzmaterialien, Schmelztechniken oder Schmelzetransportarten.

Eine notwendige Reinheit der Schmelze für qualitativ hochwertige Gussstücke ist definiert und wird durch Verbesserung der einzelnen Prozesse sicher erreicht.

1. Schmelzebehandlung

2. Schmelzen von Spänen

3. Schmelzetransport

4. Abstehen


Resultate der Vmet-Analyse

Typische Probe vor der Behandlung

Abbildung 5 Abbildung 6

Probe nach 5 Minuten MTS 1500 Behandlung mit COVERAL MTS 1524


Abbildung 3. K-Mould Proben mit groben Einschlüssen, vor der Behandlung

Abbildung 4. K-Mould Proben nach der Entgasung mit dem XSR Rotor, Bruchflächen frei von Einschlüssen


Probe 3vor der Behandlung

Probe 4nach 10 Minuten MTS 1500 mit COVERAL MTS 1565

Späne-schmelzen


Probe 3 Probe 4

vor der Behandlung

nach 5 Minuten MTS 1500

Behandlung mit COVERAL MTS 1565

Description

Merkmale (Poren, Aluminiumoxide, Legierungsoxide)

4510 130 Fehler-Kennzahl

0,5 – 2,5 µm 205 27 Gesamtanzahl der Einschlüsse

2,5 – 5,0 µm 797 50 Fehler - kein Einfluss auf die Qualität

5,0 – 15 µm 2490 52 Fehler - geringer Einfluss auf die Qualität

15 – 30 µm 703 1 Fehler - möglicher Einfluss auf die Qualität

30 – 75 µm 295 0 Fehler - definitiver Einfluss auf die Qualität

> 75 µm 20 0 Fehler - definitiver Einfluss auf die Qualität

Poren 2902 74 Fehler - definitiver Einfluss auf die Qualität

Aluminiumoxide 490 32 Lunker und Porosität

Legierungsoxide 1118 24 Aluminiumoxid-Einschlüsse

Cluster 448 11 Legierungsoxid-Einschlüsse

ALSPEK H 0,46 cm3/100g 0,16 cm3/100g Agglomerat von mehreren Einschlüssen

Späne enthalten eine große Anzahl von Oxiden, die oft zusätzliche Gasporosität bilden, besonders im Zusammenhang mit Oxidfilmen. Diese Verunreinigungen entfernt der MTS 1500 Prozess unter Zugabe von COVERAL MTS 1565 sehr effektiv.


Viele Gießereien nutzen Transportpfannen zur Schmelze-behandlung und befüllen anschließend die Gießöfen. Obwohl eine zentrale Schmelzerei mit zugehöriger Behandlungsstation ökonomische Vorteile bietet, leidet die Schmelzequalität durch die notwendigen Umfüllprozesse.

Tabelle 7 zeigt den Einfluss der turbulenten Umfüllung auf eine vorher sehr gut gereinigte Schmelze. Insbesondere der Anstieg der Porenzahl bestätigt das Problem der Turbulenz beim Transportvorgang.

Tabelle 6. Vmet Analyse vom Einschmelzen von Spänen

Probe 1 Probe 2

vor der Behandlung



Beschreibung

Einschlussindex 94 3 Fehler-Kennzahl


555 81 Gesamtanzahl der Einschlüsse


2,5 – 5,0 µm 176 33 Fehler - geringer Einfluss auf die Qualität

5,0 – 15 µm 187 24 Fehler - möglicher Einfluss auf die Qualität




Poren 371 52 Lunker und Porosität

Aluminiumoxide 178 25 Aluminiumoxid-Einschlüsse

Legierungsoxide 6 3 Legierungsoxid-Einschlüsse

Cluster 41 5 Agglomerat von mehreren Einschlüssen

ALSPEK H 0,31 cm3/100g 0,18 cm3/100g

Tabelle 5 vergleicht Ergebnisse einer Vmet Analyse vor und nach einer Behandlung mit MTS 1500 und COVERAL MTS 1524 Reinigungsgranulat.

Vor der Behandlung finden sich 555 Merkmale in der Probe. Die meisten Einschlüsse haben eine Größe zwischen 0,5 und 15 µm, wobei diese Partikel vor dem Trennen und Schleifen der Probe wahrscheinlich größer waren. Zusätzlich sind 29 Partikel zwischen 30 und 75 µm und sogar ein Teilchen größer 75 µm enthalten.

Eine fünfminütige MTS 1500 Schmelzebehandlung mit einem FDR Rotor und COVERAL MTS 1524 reduziert die Gesamtanzahl von 555 auf 81 Merkmale, wobei Oxide jeder Größe entfernt wurden. Es verbleibt nur noch ein Partikel in der Größe zwischen 30 und 75 µm, größere Teilchen werden nicht mehr gefunden.

Cluster bezeichnen sehr große Einschlüsse, deren Anzahl reduziert sich von 41 auf 5. Eine grafische Darstellung dazu gibt Abbildung 9.

Tabelle 5. Vmet Analyse vor und nach einer MTS 1500 Behandlung

0

100

200

300

400

500

600

vor der Behandlung

nach 5 Minuten MTS1500 Behandlung mitCOVERAL MTS 1524

Abbildung 9. Vmet Analyse vor und nach einer MTS 1500 Behandlung

0

100

200

300

400

500

600

vor der Behandlung


19

Messung der SchmelzereinheitAm Markt werden momentan verschiedene Verfahren zur Bestimmung der Schmelzereinheit angeboten; einige hochentwickelte Methoden sind jedoch sehr teuer, während einfache Tests oft noch nicht für den täglichen Gießereiprozess geeignet oder zu ungenau sind.

Als Kompromiss hat Foseco zwei Verfahren für die Anwendung in Aluminiumgießereien angepasst und etabliert:

• Probennahme mit der K-Mould Kokille

• Vmet Analyseverfahren

Probennahme mit der K-Mould KokilleNach der Probennahme mit der K-Mould Kokille (Abbildung 3) kann der Probestab entlang der Einkerbungen sehr einfach in einzelne Abschnitte gebrochen und die Bruchflächen nachfolgend visuell beurteilt werden.

Abbildung 2. K-Mould Kokille

Abbildung 1. Simulation der Entgasungskurve eines XSR 190 Rotors im BU 700 bei 770 °C.

Vmet AnalyseverfahrenDie Bruchflächenuntersuchung macht normalerweise nur grobe Verunreinigungen sichtbar. Für umfassendere Ergebnisse sind weiterführende Untersuchungen notwendig. Dazu müssen die einzelnen Probekörper poliert und mit einem SEM (Scanning Electron Microscope), gekoppelt mit einer automatisierten Bildauswertung, analysiert werden. Diese Methode wird als Vmet Analyseverfahren bezeichnet.

Die Bildauswertung identifiziert die folgenden Merkmale:

• Porosität

• Aluminiumoxide

• Oxide anderer Elemente

Das Vmet Verfahren identifiziert, zählt und vermisst solche Merkmale; Tabelle 5 und 6 zeigen einen solchen Bericht.

MeltMap AuditEin MeltMap Audit kombiniert alle vorstehend beschriebenen Methoden. Foseco bietet damit eine umfassende Methode zur Beurteilung der Schmelzequalität in allen Prozessschritten der Gießerei an. Der Analyseprozess eignet sich ebenfalls zur Charakterisierung unterschiedlicher Einsatzmaterialien, Schmelztechniken oder Schmelzetransportarten.

Eine notwendige Reinheit der Schmelze für qualitativ hochwertige Gussstücke ist definiert und wird durch Verbesserung der einzelnen Prozesse sicher erreicht.




4. Abstehen


Resultate der Vmet-Analyse

Typische Probe vor der Behandlung


Probe nach 5 Minuten MTS 1500 Behandlung mit COVERAL MTS 1524


Abbildung 3. K-Mould Proben mit groben Einschlüssen, vor der Behandlung

Abbildung 4. K-Mould Proben nach der Entgasung mit dem XSR Rotor, Bruchflächen frei von Einschlüssen


Probe 3vor der Behandlung

Probe 4nach 10 Minuten MTS 1500 mit COVERAL MTS 1565

Späne-schmelzen


Probe 3 Probe 4

vor der Behandlung



Description


4510 130 Fehler-Kennzahl

0,5 – 2,5 µm 205 27 Gesamtanzahl der Einschlüsse


5,0 – 15 µm 2490 52 Fehler - geringer Einfluss auf die Qualität

15 – 30 µm 703 1 Fehler - möglicher Einfluss auf die Qualität



Poren 2902 74 Fehler - definitiver Einfluss auf die Qualität

Aluminiumoxide 490 32 Lunker und Porosität

Legierungsoxide 1118 24 Aluminiumoxid-Einschlüsse

Cluster 448 11 Legierungsoxid-Einschlüsse

ALSPEK H 0,46 cm3/100g 0,16 cm3/100g Agglomerat von mehreren Einschlüssen

Späne enthalten eine große Anzahl von Oxiden, die oft zusätzliche Gasporosität bilden, besonders im Zusammenhang mit Oxidfilmen. Diese Verunreinigungen entfernt der MTS 1500 Prozess unter Zugabe von COVERAL MTS 1565 sehr effektiv.


Viele Gießereien nutzen Transportpfannen zur Schmelze-behandlung und befüllen anschließend die Gießöfen. Obwohl eine zentrale Schmelzerei mit zugehöriger Behandlungsstation ökonomische Vorteile bietet, leidet die Schmelzequalität durch die notwendigen Umfüllprozesse.

Tabelle 7 zeigt den Einfluss der turbulenten Umfüllung auf eine vorher sehr gut gereinigte Schmelze. Insbesondere der Anstieg der Porenzahl bestätigt das Problem der Turbulenz beim Transportvorgang.

Tabelle 6. Vmet Analyse vom Einschmelzen von Spänen

Probe 1 Probe 2

vor der Behandlung



Beschreibung

Einschlussindex 94 3 Fehler-Kennzahl


555 81 Gesamtanzahl der Einschlüsse


2,5 – 5,0 µm 176 33 Fehler - geringer Einfluss auf die Qualität

5,0 – 15 µm 187 24 Fehler - möglicher Einfluss auf die Qualität




Poren 371 52 Lunker und Porosität

Aluminiumoxide 178 25 Aluminiumoxid-Einschlüsse

Legierungsoxide 6 3 Legierungsoxid-Einschlüsse

Cluster 41 5 Agglomerat von mehreren Einschlüssen

ALSPEK H 0,31 cm3/100g 0,18 cm3/100g

Tabelle 5 vergleicht Ergebnisse einer Vmet Analyse vor und nach einer Behandlung mit MTS 1500 und COVERAL MTS 1524 Reinigungsgranulat.

Vor der Behandlung finden sich 555 Merkmale in der Probe. Die meisten Einschlüsse haben eine Größe zwischen 0,5 und 15 µm, wobei diese Partikel vor dem Trennen und Schleifen der Probe wahrscheinlich größer waren. Zusätzlich sind 29 Partikel zwischen 30 und 75 µm und sogar ein Teilchen größer 75 µm enthalten.

Eine fünfminütige MTS 1500 Schmelzebehandlung mit einem FDR Rotor und COVERAL MTS 1524 reduziert die Gesamtanzahl von 555 auf 81 Merkmale, wobei Oxide jeder Größe entfernt wurden. Es verbleibt nur noch ein Partikel in der Größe zwischen 30 und 75 µm, größere Teilchen werden nicht mehr gefunden.

Cluster bezeichnen sehr große Einschlüsse, deren Anzahl reduziert sich von 41 auf 5. Eine grafische Darstellung dazu gibt Abbildung 9.

Tabelle 5. Vmet Analyse vor und nach einer MTS 1500 Behandlung

0

100

200

300

400

500

600

vor der Behandlung


Abbildung 9. Vmet Analyse vor und nach einer MTS 1500 Behandlung

0

100

200

300

400

500

600

vor der Behandlung


MeltM

ap Audit - Die Überprüfung der Schm

elzequalität in Aluminium

gießereien

20

Ausgabe 264

Transportpfanne nach FDU Behandlung

Ofen nach der Befüllung

Einschlussindex 298 1885


1833 3896

0,5 – 2,5 µm 824 989

2,5 – 5,0 µm 558 645

5,0 – 15 µm 367 1465

15 – 30 µm 62 523

30 – 75 µm 22 270

> 75 µm 0 4

Poren 918 2926

Aluminiumoxide 626 237

Legierungsoxide 289 13

Cluster 59 236

4. Abstehen

In vielen Gießereien ist es üblich, die Schmelze nach Behandlung oder Umfüllen bis zum Gießbeginn etwa 30 Minuten abstehen zu lassen. Die Verunreinigungen mit höherer Dichte sinken in dieser Zeit auf den Boden, während leichtere Partikel aufschwimmen und vor dem Gießen mit abgekrätzt werden.

Die Vmet Analyse kann diese Annahme bestätigen, Tabelle 8 zeigt Ergebnisse von Proben unmittelbar nach der Behandlung und nach 30 Minuten Abstehen.

AlSi12Cu3Mg Tiegel nach dem Befüllen

Tiegel nach 30 Minuten Abstehzeit

Einschlussindex 8,8 2


1654 433

0,5 – 2,5 µm 1076 313

2,5 – 5,0 µm 404 86

5,0 – 15 µm 170 32

15 – 30 µm 4 2

30 – 75 µm 0 0

> 75 µm 0 0

Poren 485 135



Cluster 74 16

Tabelle 7. Einfluss des Umfüllens auf die Schmelzequalität

Tabelle 8. Einfluss des Abstehens auf die Schmelzequalität

Schlussfolgerungen

• Foseco hat zusammen mit externen Partnern eine Vielzahl von Werkzeugen zur Charakterisierung von Schmelzereinheit und Wasserstoffgehalt von Aluminiumlegierungen entwickelt.

• Die Entgasungssimulation gibt ohne zeitaufwändige Versuche Voraussagen über den Entgasungsprozess.

• Die Bruchflächenbeurteilung von K-Mould Proben gibt einen groben Überblick hinsichtlich des Oxidgehaltes der Schmelze.

• Eine sehr detaillierte Analyse der Proben ist durch Vmet möglich.

• Die Schmelze hat sehr unterschiedliche Reinheit, wobei eine MTS 1500 Behandlung mit dem Reinigungsgranulat COVERAL MTS 1565 die Qualität signifikant verbessert.

• Ein MeltMap Audit liefert den Gießereien einen kompletten Überblick zur Schmelzereinheit in den einzelnen Prozessschritten wie Schmelze, Schmelzetransport oder nach der Schmelzebehandlung. Dadurch können Schwachstellen im Prozess erkannt und gezielt beseitigt werden.

• Die Ergebnisse eines MeltMap Audits können auch als Vergleich zwischen einzelnen Standorten einer Gießereigruppe dienen und dokumentieren bei regelmäßiger Wiederholung den Verbesserungsprozess.

LiteraturDie folgenden Publikationen wurden bei der Erstellung des Artikels verwendet und geben weiterführende Erläuterungen zu Produkten und Prozessen:

More than a filterFoseco Foundry Practice 238

The Bifilm Concept: Prospects of defect free castingsJohn Campbell Hommes Et Fonderie February 2009

Advances in the determination of hydrogen concentrations in Aluminium AlloysFoseco Foundry Practice 245

The development of a rapid test for monitoring the cleanliness of Aluminium meltsFoseco Foundry Practice 251

IN-SITU Measurement of dissolved hydrogen during low pressure diecasting of Aluminium alloysTMS 2010

Abbildung 12. MTS 1500

21

SMARTT – Eine innovative Prozesssteuerung für die Rotorentgasung von Aluminiumschmelzen

EinführungDie globalen Automobilhersteller sind ein wichtiger Kunde der Aluminiumgießereien, und die steigende Bedeutung von weniger Emissionen und reduziertem Kraftstoffverbrauch lassen den Aluminiumbedarf weiter steigen. Viele Bauteile haben besondere Anforderungen an mechanische Eigenschaften, wie Dehnung oder Bruchfestigkeit, die nicht länger mit herkömmlichen Legierungen zu erfüllen sind. Deswegen kommen zunehmend neue Legierungen und Gießverfahren zum Einsatz. Das gesamte Potential dieser Neuentwicklungen erschließt sich jedoch nur, wenn der Guss komplett frei von Poren und Einschlüssen ist. Sicherheitsrelevante Bauteile beispielsweise müssen eine Dehnung von über 10 Prozent aufweisen, damit liegt dieser Parameter bereits am oberen Limit der meisten Legierungen. Das „Fenster“ für die Eigenschaften der vergießfertigen Schmelze ist oft sehr klein, während die Ausgangsbedingungen wie beispielsweise Masselqualität, Schmelz- oder Halteofentemperatur und Schmelzetransport sehr stark variieren. Eine prozesssichere und reproduzierbare Schmelzebehandlung in Verbindung mit einem optimalen Gießprozess werden immer wichtiger.

Insbesondere die Automobilindustrie fordert eine konstante Schmelzequalität vor dem Vergießen, oft in Verbindung mit einer Speicherung der Behandlungsdaten für die Rückverfolgbarkeit der Produktion. Datenerfassung und -speicherung sind schon heute eine verbreitete Forderung.

Ein innovativer Prozess, der automatisiert konstante Schmelze-behandlungsergebnisse garantiert – unabhängig von externen Bedingungen vor und während der Behandlung – wird zukünftig der Schlüssel für qualitativ hochwertige Gussstücke sein.

Die EntgasungssimulationDas Technikteam der Foseco hat zusammen mit seinem externen Entwicklungspartner tsc - Technology Strategy Consultants (UK) - die internetbasierte Entgasungssimulation entwickelt. Dieses Werkzeug ermöglicht die schnelle Analyse und Verbesserung der Behandlungsparameter in Aluminiumgießereien, ohne zeitauf-wändige Versuche vor Ort durchführen zu müssen.

Die Software basiert auf einem mathematischen Modell, welches Forschungsergebnisse zur Kinetik der Entgasung berücksichtigt, beispielsweise zu Wasserstofflöslichkeit, Diffusionskoeffizienten und stabiler Gasblasengröße in der Schmelze. Ein umfangreiches Versuchsprogramm hat diese allgemeinen Gesetzmäßigkeiten auf die von Foseco entwickelten Rotordesigns angewendet und spezifische Daten für unterschiedliche Rotordesigns unter unter-schiedlichen Bedingungen erarbeitet.

Folgende Versuche im Wassermodell und unter realen Bedingun-gen wurden durchgeführt:

• Bestimmung des Drehmomentes der Rotoren• Effektivität der Durchmischung• Löslichkeit von Gasen in Wasser• Entgasungsleistung in verschiedenen Aluminiumlegierungen

Einen kompletten Bericht zu diesen Arbeiten finden Sie in der Foundry Practice 256 (2011).

Was beeinflusst die Entgasung?Die Effektivität der Entgasung wird von drei Größen beein-flusst: Umgebungsbedingungen, FDU Geräteeinstellungen und Schmelzeeigenschaften. Mittels der Entgasungssimulation wurde der Verlauf der Wasserstoffkonzentration über der Zeit für ge-bräuchliche Ausgangsbedingungen berechnet. Die Variationen der Ausgangsparameter zeigen den Einfluss auf die Entgasung und speziell den erreichbaren Gleichgewichtsgehalt an gelöstem Wasserstoff nach der Behandlung.

ATL 1000 mit 850 kg Schmelze XSR 220 Rotor

AlSi7Mg 420 1/min

750 °C Schmelzetemperatur 20 l/min Inertgas

50 % Relative Luftfeuchtigkeit 0,30 ml H2 / 100 g Al

Startkonzentration

25 °C Umgebungstemperatur

Tabelle 1: Simulationsparameter

CMYKGrey : 0 / 0 / 0 /85Red : 0 / 100 / 96 / 0

Transportpfanne nach FDU Behandlung

Ofen nach der Befüllung

Einschlussindex 298 1885


1833 3896

0,5 – 2,5 µm 824 989

2,5 – 5,0 µm 558 645

5,0 – 15 µm 367 1465

15 – 30 µm 62 523

30 – 75 µm 22 270

> 75 µm 0 4

Poren 918 2926



Cluster 59 236

4. Abstehen

In vielen Gießereien ist es üblich, die Schmelze nach Behandlung oder Umfüllen bis zum Gießbeginn etwa 30 Minuten abstehen zu lassen. Die Verunreinigungen mit höherer Dichte sinken in dieser Zeit auf den Boden, während leichtere Partikel aufschwimmen und vor dem Gießen mit abgekrätzt werden.

Die Vmet Analyse kann diese Annahme bestätigen, Tabelle 8 zeigt Ergebnisse von Proben unmittelbar nach der Behandlung und nach 30 Minuten Abstehen.

AlSi12Cu3Mg Tiegel nach dem Befüllen

Tiegel nach 30 Minuten Abstehzeit

Einschlussindex 8,8 2


1654 433

0,5 – 2,5 µm 1076 313

2,5 – 5,0 µm 404 86

5,0 – 15 µm 170 32

15 – 30 µm 4 2

30 – 75 µm 0 0

> 75 µm 0 0

Poren 485 135



Cluster 74 16

Tabelle 7. Einfluss des Umfüllens auf die Schmelzequalität

Tabelle 8. Einfluss des Abstehens auf die Schmelzequalität

Schlussfolgerungen

• Foseco hat zusammen mit externen Partnern eine Vielzahl von Werkzeugen zur Charakterisierung von Schmelzereinheit und Wasserstoffgehalt von Aluminiumlegierungen entwickelt.

• Die Entgasungssimulation gibt ohne zeitaufwändige Versuche Voraussagen über den Entgasungsprozess.

• Die Bruchflächenbeurteilung von K-Mould Proben gibt einen groben Überblick hinsichtlich des Oxidgehaltes der Schmelze.

• Eine sehr detaillierte Analyse der Proben ist durch Vmet möglich.

• Die Schmelze hat sehr unterschiedliche Reinheit, wobei eine MTS 1500 Behandlung mit dem Reinigungsgranulat COVERAL MTS 1565 die Qualität signifikant verbessert.

• Ein MeltMap Audit liefert den Gießereien einen kompletten Überblick zur Schmelzereinheit in den einzelnen Prozessschritten wie Schmelze, Schmelzetransport oder nach der Schmelzebehandlung. Dadurch können Schwachstellen im Prozess erkannt und gezielt beseitigt werden.

• Die Ergebnisse eines MeltMap Audits können auch als Vergleich zwischen einzelnen Standorten einer Gießereigruppe dienen und dokumentieren bei regelmäßiger Wiederholung den Verbesserungsprozess.

LiteraturDie folgenden Publikationen wurden bei der Erstellung des Artikels verwendet und geben weiterführende Erläuterungen zu Produkten und Prozessen:

More than a filterFoseco Foundry Practice 238

The Bifilm Concept: Prospects of defect free castingsJohn Campbell Hommes Et Fonderie February 2009

Advances in the determination of hydrogen concentrations in Aluminium AlloysFoseco Foundry Practice 245

The development of a rapid test for monitoring the cleanliness of Aluminium meltsFoseco Foundry Practice 251

IN-SITU Measurement of dissolved hydrogen during low pressure diecasting of Aluminium alloysTMS 2010

Abbildung 12. MTS 1500

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SMARTT – Eine innovative Prozesssteuerung für die Rotorentgasung von Aluminiumschmelzen

EinführungDie globalen Automobilhersteller sind ein wichtiger Kunde der Aluminiumgießereien, und die steigende Bedeutung von weniger Emissionen und reduziertem Kraftstoffverbrauch lassen den Aluminiumbedarf weiter steigen. Viele Bauteile haben besondere Anforderungen an mechanische Eigenschaften, wie Dehnung oder Bruchfestigkeit, die nicht länger mit herkömmlichen Legierungen zu erfüllen sind. Deswegen kommen zunehmend neue Legierungen und Gießverfahren zum Einsatz. Das gesamte Potential dieser Neuentwicklungen erschließt sich jedoch nur, wenn der Guss komplett frei von Poren und Einschlüssen ist. Sicherheitsrelevante Bauteile beispielsweise müssen eine Dehnung von über 10 Prozent aufweisen, damit liegt dieser Parameter bereits am oberen Limit der meisten Legierungen. Das „Fenster“ für die Eigenschaften der vergießfertigen Schmelze ist oft sehr klein, während die Ausgangsbedingungen wie beispielsweise Masselqualität, Schmelz- oder Halteofentemperatur und Schmelzetransport sehr stark variieren. Eine prozesssichere und reproduzierbare Schmelzebehandlung in Verbindung mit einem optimalen Gießprozess werden immer wichtiger.

Insbesondere die Automobilindustrie fordert eine konstante Schmelzequalität vor dem Vergießen, oft in Verbindung mit einer Speicherung der Behandlungsdaten für die Rückverfolgbarkeit der Produktion. Datenerfassung und -speicherung sind schon heute eine verbreitete Forderung.

Ein innovativer Prozess, der automatisiert konstante Schmelze-behandlungsergebnisse garantiert – unabhängig von externen Bedingungen vor und während der Behandlung – wird zukünftig der Schlüssel für qualitativ hochwertige Gussstücke sein.

Die EntgasungssimulationDas Technikteam der Foseco hat zusammen mit seinem externen Entwicklungspartner tsc - Technology Strategy Consultants (UK) - die internetbasierte Entgasungssimulation entwickelt. Dieses Werkzeug ermöglicht die schnelle Analyse und Verbesserung der Behandlungsparameter in Aluminiumgießereien, ohne zeitauf-wändige Versuche vor Ort durchführen zu müssen.

Die Software basiert auf einem mathematischen Modell, welches Forschungsergebnisse zur Kinetik der Entgasung berücksichtigt, beispielsweise zu Wasserstofflöslichkeit, Diffusionskoeffizienten und stabiler Gasblasengröße in der Schmelze. Ein umfangreiches Versuchsprogramm hat diese allgemeinen Gesetzmäßigkeiten auf die von Foseco entwickelten Rotordesigns angewendet und spezifische Daten für unterschiedliche Rotordesigns unter unter-schiedlichen Bedingungen erarbeitet.

Folgende Versuche im Wassermodell und unter realen Bedingun-gen wurden durchgeführt:

• Bestimmung des Drehmomentes der Rotoren• Effektivität der Durchmischung• Löslichkeit von Gasen in Wasser• Entgasungsleistung in verschiedenen Aluminiumlegierungen

Einen kompletten Bericht zu diesen Arbeiten finden Sie in der Foundry Practice 256 (2011).

Was beeinflusst die Entgasung?Die Effektivität der Entgasung wird von drei Größen beein-flusst: Umgebungsbedingungen, FDU Geräteeinstellungen und Schmelzeeigenschaften. Mittels der Entgasungssimulation wurde der Verlauf der Wasserstoffkonzentration über der Zeit für ge-bräuchliche Ausgangsbedingungen berechnet. Die Variationen der Ausgangsparameter zeigen den Einfluss auf die Entgasung und speziell den erreichbaren Gleichgewichtsgehalt an gelöstem Wasserstoff nach der Behandlung.


AlSi7Mg 420 1/min

750 °C Schmelzetemperatur 20 l/min Inertgas

50 % Relative Luftfeuchtigkeit 0,30 ml H2 / 100 g Al

Startkonzentration

25 °C Umgebungstemperatur

Tabelle 1: Simulationsparameter

SMARTT - Eine innovative Prozesssteuerung für die Rotorentgasung von Alum

iniumschm

elzen

Ausgabe 264

1. Umgebungsbedingungen

Die Schmelze steht im Gleichgewicht mit der Luftfeuchtigkeit in der Atmosphäre; ein warmes und feuchtes Klima führt zu höhe-ren Wasserstoffgehalten in der Schmelze als kaltes und trockenes Wetter (Abb. 1).

Während der Rotorentgasung ist die Schmelze ebenfalls in Wechsel-wirkung mit der Atmosphäre und nimmt über die Oberfläche erneut Wasserstoff auf. Die Simulation in Diagramm 1 zeigt den Einfluss der Umgebungsbedingungen auf die Entgasungsergebnisse.

2. FDU Geräteeinstellungen

Das FDU Gerät kann die Entgasungsbehandlung mit unterschied-lichen Rotordrehzahlen und Inertgasmengen durchführen. Jedes Rotordesign hat spezifische Minimum- und Maximum-Werte – den Arbeitsbereich – für Umdrehungsgeschwindigkeit und Inertgasmenge. Beide Parameter müssen innerhalb dieses Ar-beitsbereiches eingestellt sein; ein Überschreiten führt zu starker Turbulenz an der Oberfläche oder in Extremfällen bis hin zum Lufteinzug durch einen unkontrollierten Strudel und daraus resul-tierenden Verlust des Kontaktes zwischen Rotor und Schmelze.

Die Diagramme 2 und 3 zeigen das Entgasungsverhalten für typische Einstellungen für einen XSR 220 Rotor unter verschiedenen Bedingungen:

3. Schmelzeeigenschaften vor der Behandlung

Die Zusammensetzung der Legierung hat wesentlichen Einfluss auf das Behandlungsergebnis. Elemente wie Magnesium erhö-hen die Löslichkeit an Wasserstoff, während Silizium oder Kupfer diese sogar leicht verringern (Diagramm 4). Die Schmelzetempe-ratur beeinflusst das Gleichgewicht, bei höheren Temperaturen wird mehr Wasserstoff gelöst (Diagramm 5).

Der Ausgangswasserstoffgehalt ist in der Regel nicht bekannt. Diagramm 6 zeigt jedoch, dass unterschiedliche Startkonzentrationen keinen Einfluss auf den Endgehalt haben.

0.50

0.40

0.30

0.20

0.10

0.00

Entgasungszeit [ min ]

ml W

asse

rsto

ff /

100

g A

lum

iniu

m

0 2 4 6 8 10

0.3 ml Wasserstoff

0.4 ml Wasserstoff

0.5 ml Wasserstoff

Diagramm 6: Entgasungsverlauf für unterschiedliche Startgehalte an Wasserstoff

0,30

0,20

0,10

0,00


ml W

asse

rsto

ff /

100

g A

lum

iniu

m

0 2 4 6 8 10

420 1/min

350 1/min

500 1/min

Diagramm 3: Entgasungsverlauf für unterschiedliche Rotorgeschwindigkeiten

0,50

Was

sers

toff

(ml/1

00g)

Temperatur (°C)

0,075

0,050

0,045

0,040

0,035

0,030

0,025

0,020

0,015

0,010

0,005

0,45

0,40

0,35

0,30

0,25

0,20

0,15

0,10

0,05

0,00

660 680 700 720 740 760 780 800

Abb. 1: Einfluss der Umgebungsbedingungen auf die Wasserstofflöslichkeit(0,005 atm = 5 °C / 50 % rH; 0,050 atm = 35 °C / 90 % rH)

0,30

0,20

0,10

0,00


ml W

asse

rsto

ff /

100

g A

lum

iniu

m

0 2 4 6 8 10

50%rH / 25°C

30%rH / 15°C

85%rH / 45°C

Diagramm 1: Entgasungsverlauf für unterschiedliche Umgebungsbedingungen

0,30

0,20

0,10

0,00


ml W

asse

rsto

ff /

100

g A

lum

iniu

m

0 2 4 6 8 10

20 l/min

10 l/min

30 l/min

Diagramm 2: Entgasungsverlauf für unterschiedliche Inertgasmengen

0.30

0.20

0.10

0.00


ml W

asse

rsto

ff /

100

g A

lum

iniu

m

0 2 4 6 8 10

750 °C

700 °C

800 °C

Diagramm 5: Entgasungsverlauf für unterschiedliche Schmelzetemperaturen

0.30

0.20

0.10

0.00


ml W

asse

rsto

ff /

100

g A

lum

iniu

m

0 2 4 6 8 10

AlSi7Mg

AlZn10Si8

AlMg5

Diagramm 4: Entgasungsverlauf für unterschiedliche Legierungen

Wasserdampf- partialdruck (atm.)

23

3. Optimierungsmethoden

SMARTT bietet vier unterschiedliche Optimierungsmethoden an. Die Berechnung basiert auf einer minimalen und maximalen Inertgas-menge und Rotordrehzahl; diese Grenzen hängen von Rotordesign und -durchmesser und dem Behandlungsgefäß ab. Die Mindestbe-handlungszeit stellt die gewünschte Oxidentfernung sicher, auch wenn der Zielgehalt an Wasserstoff eher erreicht wird.

High-speed – Es wird die kürzeste Behandlungszeit errechnet, die bei jeweils maximaler Drehzahl und Inertgasmenge erreicht wird. Die minimale Behandlungszeit wird berücksichtigt, um ausreichende Homogenisierung und Oxidentfernung zu erreichen.

Geringe Gasmenge – Das Ziel wird erreicht unter Ausnutzung der maximalen Behandlungszeit bei niedrigster möglicher Inertgasmenge und entsprechender Rotordrehzahl.

Geringer Verschleiß – Die Behandlung erfolgt bei niedrigster mög-licher Rotordrehzahl, um den Verschleiß an Schaft und Rotor zu re-duzieren. Die entsprechende Inertgasmenge ergibt sich dann aus der Behandlungszeit.

Standard – Diese Methode ist der Mittelwert aus den beiden Ext-remen Geringe Gasmenge und Geringer Verschleiß, sie stellt eine ausgewogene Balance dar.

Die High-speed Methode kann genutzt werden, wenn die Entgasung der Engpass in der Produktion ist oder auch nur kurzfristig große Mengen an behandelter Schmelze benötigt werden. Es ist eine gute Möglichkeit, Produktionsspitzen beispielsweise während der Tagschicht oder bei Gussteilen mit hohem Stückgewicht zu überbrücken. Die anderen Methoden sind kundenspezifisch zu wählen, beispielsweise kann Geringe Gasmenge bei hohen Preisen für Inertgas eine kostensparende Option sein.

4. Eingabe der MTS Parameter

SMARTT kann auch zur Parametrierung von MTS 1500 Schmel-zebehandlungsstationen verwendet werden. Die Parametervor-gabe erfolgt für die bekannten Behandlungsschritte am Touch-screen; MTS Parameter sind nicht Bestandteil der Optimierung. Trotzdem ist jeder Parametersatz für MTS 1500 auch Bestandteil eines Programmes, zusammen mit der gewählten Optimierungs-methode und dem Zielgehalt an Wasserstoff (Abbildung 5).

SMARTT – die innovative ProzesssteuerungSMARTT ist die Abkürzung für self-monitoring adaptive recalcu-lation treatment – die innovative Lösung analysiert die für eine Rotorentgasung notwendigen Ausgangsparameter unmittelbar vor jeder Schmelzebehandlung. Ziel ist eine konstante Schmelze-qualität am Ende einer jeden Behandlung. SMARTT ist auf einem Windows-PC installiert; die Ein- und Ausgabe erfolgt über einen Touchscreen. Der PC ist über LAN mit der Siemens SPS, welche das Entgasungsgerät steuert, verbunden.

Die Software basiert auf einer SQL Datenbank. Diese offene Schnitt-stelle ermöglicht die Speicherung einer nahezu unbegrenzten An-zahl von Tiegel- oder Pfannenabmessungen, Legierungen und Behandlungsprogrammen. Das Ziel für die Optimierung durch die Software ist immer ein Wasserstoffgehalt in der Aluminiumschmel-ze; dies gilt sowohl für die Entgasung als auch ein gezieltes Begasen.


Ein handelsüblicher Sensor misst relative Luftfeuchtigkeit und -tem-peratur und ist in der Nähe des Schaltschrankes angebracht. Der Sensor erfasst dabei die Bedingungen, in denen die FDU Behand-lung stattfindet; er überträgt diese Daten in Echtzeit an SMARTT, wo sie gespeichert und als Basis für die Optimierung genutzt werden.

2. Legierung und Behandlungsgefäß

SMARTT wird mit einer Anzahl vordefinierter Legierungen sowie Tiegel- und Transportpfannenabmessungen ausgeliefert. Der Be-nutzer kann zusätzliche Geometrien oder Legierungen hinzufü-gen sowie bestehende Datensätze ändern oder löschen. Die de-finierten Legierungen und Behandlungsgefäße sind zusammen mit Rotordesign und -durchmesser ein fester Bestandteil jedes Programms (Abbildung 4).

SMARTT

UmgebungsbedingungenRotorgeschwindigkeit

Legierungs-zusammensetzung

GasmengeGeometrie desBehandlungsgefäßes

BehandlungszeitKundenanforderungen

FDU

Abbildung 2: Schematischer Aufbau von SMARTT

Abbildung 3: Touchscreen im Schaltschrank eines FDU Gerätes

Abbildung 4: Legierungs-Menü

Abbildung 5: Menü für die MTS Parametereingabe


Die Schmelze steht im Gleichgewicht mit der Luftfeuchtigkeit in der Atmosphäre; ein warmes und feuchtes Klima führt zu höhe-ren Wasserstoffgehalten in der Schmelze als kaltes und trockenes Wetter (Abb. 1).

Während der Rotorentgasung ist die Schmelze ebenfalls in Wechsel-wirkung mit der Atmosphäre und nimmt über die Oberfläche erneut Wasserstoff auf. Die Simulation in Diagramm 1 zeigt den Einfluss der Umgebungsbedingungen auf die Entgasungsergebnisse.

2. FDU Geräteeinstellungen

Das FDU Gerät kann die Entgasungsbehandlung mit unterschied-lichen Rotordrehzahlen und Inertgasmengen durchführen. Jedes Rotordesign hat spezifische Minimum- und Maximum-Werte – den Arbeitsbereich – für Umdrehungsgeschwindigkeit und Inertgasmenge. Beide Parameter müssen innerhalb dieses Ar-beitsbereiches eingestellt sein; ein Überschreiten führt zu starker Turbulenz an der Oberfläche oder in Extremfällen bis hin zum Lufteinzug durch einen unkontrollierten Strudel und daraus resul-tierenden Verlust des Kontaktes zwischen Rotor und Schmelze.

Die Diagramme 2 und 3 zeigen das Entgasungsverhalten für typische Einstellungen für einen XSR 220 Rotor unter verschiedenen Bedingungen:

3. Schmelzeeigenschaften vor der Behandlung

Die Zusammensetzung der Legierung hat wesentlichen Einfluss auf das Behandlungsergebnis. Elemente wie Magnesium erhö-hen die Löslichkeit an Wasserstoff, während Silizium oder Kupfer diese sogar leicht verringern (Diagramm 4). Die Schmelzetempe-ratur beeinflusst das Gleichgewicht, bei höheren Temperaturen wird mehr Wasserstoff gelöst (Diagramm 5).

Der Ausgangswasserstoffgehalt ist in der Regel nicht bekannt. Diagramm 6 zeigt jedoch, dass unterschiedliche Startkonzentrationen keinen Einfluss auf den Endgehalt haben.

0.50

0.40

0.30

0.20

0.10

0.00


ml W

asse

rsto

ff /

100

g A

lum

iniu

m

0 2 4 6 8 10

0.3 ml Wasserstoff

0.4 ml Wasserstoff

0.5 ml Wasserstoff

Diagramm 6: Entgasungsverlauf für unterschiedliche Startgehalte an Wasserstoff

0,30

0,20

0,10

0,00


ml W

asse

rsto

ff /

100

g A

lum

iniu

m

0 2 4 6 8 10

420 1/min

350 1/min

500 1/min

Diagramm 3: Entgasungsverlauf für unterschiedliche Rotorgeschwindigkeiten

0,50

Was

sers

toff

(ml/1

00g)

Temperatur (°C)

0,075

0,050

0,045

0,040

0,035

0,030

0,025

0,020

0,015

0,010

0,005

0,45

0,40

0,35

0,30

0,25

0,20

0,15

0,10

0,05

0,00

660 680 700 720 740 760 780 800

Abb. 1: Einfluss der Umgebungsbedingungen auf die Wasserstofflöslichkeit(0,005 atm = 5 °C / 50 % rH; 0,050 atm = 35 °C / 90 % rH)

0,30

0,20

0,10

0,00


ml W

asse

rsto

ff /

100

g A

lum

iniu

m

0 2 4 6 8 10

50%rH / 25°C

30%rH / 15°C

85%rH / 45°C

Diagramm 1: Entgasungsverlauf für unterschiedliche Umgebungsbedingungen

0,30

0,20

0,10

0,00


ml W

asse

rsto

ff /

100

g A

lum

iniu

m

0 2 4 6 8 10

20 l/min

10 l/min

30 l/min

Diagramm 2: Entgasungsverlauf für unterschiedliche Inertgasmengen

0.30

0.20

0.10

0.00


ml W

asse

rsto

ff /

100

g A

lum

iniu

m

0 2 4 6 8 10

750 °C

700 °C

800 °C

Diagramm 5: Entgasungsverlauf für unterschiedliche Schmelzetemperaturen

0.30

0.20

0.10

0.00


ml W

asse

rsto

ff /

100

g A

lum

iniu

m

0 2 4 6 8 10

AlSi7Mg

AlZn10Si8

AlMg5

Diagramm 4: Entgasungsverlauf für unterschiedliche Legierungen

Wasserdampf- partialdruck (atm.)


iniumschm

elzen

24


SMARTT bietet vier unterschiedliche Optimierungsmethoden an. Die Berechnung basiert auf einer minimalen und maximalen Inertgas-menge und Rotordrehzahl; diese Grenzen hängen von Rotordesign und -durchmesser und dem Behandlungsgefäß ab. Die Mindestbe-handlungszeit stellt die gewünschte Oxidentfernung sicher, auch wenn der Zielgehalt an Wasserstoff eher erreicht wird.

High-speed – Es wird die kürzeste Behandlungszeit errechnet, die bei jeweils maximaler Drehzahl und Inertgasmenge erreicht wird. Die minimale Behandlungszeit wird berücksichtigt, um ausreichende Homogenisierung und Oxidentfernung zu erreichen.

Geringe Gasmenge – Das Ziel wird erreicht unter Ausnutzung der maximalen Behandlungszeit bei niedrigster möglicher Inertgasmenge und entsprechender Rotordrehzahl.

Geringer Verschleiß – Die Behandlung erfolgt bei niedrigster mög-licher Rotordrehzahl, um den Verschleiß an Schaft und Rotor zu re-duzieren. Die entsprechende Inertgasmenge ergibt sich dann aus der Behandlungszeit.

Standard – Diese Methode ist der Mittelwert aus den beiden Ext-remen Geringe Gasmenge und Geringer Verschleiß, sie stellt eine ausgewogene Balance dar.

Die High-speed Methode kann genutzt werden, wenn die Entgasung der Engpass in der Produktion ist oder auch nur kurzfristig große Mengen an behandelter Schmelze benötigt werden. Es ist eine gute Möglichkeit, Produktionsspitzen beispielsweise während der Tagschicht oder bei Gussteilen mit hohem Stückgewicht zu überbrücken. Die anderen Methoden sind kundenspezifisch zu wählen, beispielsweise kann Geringe Gasmenge bei hohen Preisen für Inertgas eine kostensparende Option sein.

4. Eingabe der MTS Parameter

SMARTT kann auch zur Parametrierung von MTS 1500 Schmel-zebehandlungsstationen verwendet werden. Die Parametervor-gabe erfolgt für die bekannten Behandlungsschritte am Touch-screen; MTS Parameter sind nicht Bestandteil der Optimierung. Trotzdem ist jeder Parametersatz für MTS 1500 auch Bestandteil eines Programmes, zusammen mit der gewählten Optimierungs-methode und dem Zielgehalt an Wasserstoff (Abbildung 5).

SMARTT – die innovative ProzesssteuerungSMARTT ist die Abkürzung für self-monitoring adaptive recalcu-lation treatment – die innovative Lösung analysiert die für eine Rotorentgasung notwendigen Ausgangsparameter unmittelbar vor jeder Schmelzebehandlung. Ziel ist eine konstante Schmelze-qualität am Ende einer jeden Behandlung. SMARTT ist auf einem Windows-PC installiert; die Ein- und Ausgabe erfolgt über einen Touchscreen. Der PC ist über LAN mit der Siemens SPS, welche das Entgasungsgerät steuert, verbunden.

Die Software basiert auf einer SQL Datenbank. Diese offene Schnitt-stelle ermöglicht die Speicherung einer nahezu unbegrenzten An-zahl von Tiegel- oder Pfannenabmessungen, Legierungen und Behandlungsprogrammen. Das Ziel für die Optimierung durch die Software ist immer ein Wasserstoffgehalt in der Aluminiumschmel-ze; dies gilt sowohl für die Entgasung als auch ein gezieltes Begasen.


Ein handelsüblicher Sensor misst relative Luftfeuchtigkeit und -tem-peratur und ist in der Nähe des Schaltschrankes angebracht. Der Sensor erfasst dabei die Bedingungen, in denen die FDU Behand-lung stattfindet; er überträgt diese Daten in Echtzeit an SMARTT, wo sie gespeichert und als Basis für die Optimierung genutzt werden.

2. Legierung und Behandlungsgefäß

SMARTT wird mit einer Anzahl vordefinierter Legierungen sowie Tiegel- und Transportpfannenabmessungen ausgeliefert. Der Be-nutzer kann zusätzliche Geometrien oder Legierungen hinzufü-gen sowie bestehende Datensätze ändern oder löschen. Die de-finierten Legierungen und Behandlungsgefäße sind zusammen mit Rotordesign und -durchmesser ein fester Bestandteil jedes Programms (Abbildung 4).

SMARTT

UmgebungsbedingungenRotorgeschwindigkeit

Legierungs-zusammensetzung

GasmengeGeometrie desBehandlungsgefäßes

BehandlungszeitKundenanforderungen

FDU

Abbildung 2: Schematischer Aufbau von SMARTT

Abbildung 3: Touchscreen im Schaltschrank eines FDU Gerätes

Abbildung 4: Legierungs-Menü

Abbildung 5: Menü für die MTS Parametereingabe

Ausgabe 264

5. Programm-Menü

Das Programm-Menü vereinigt alle vordefinierten Daten: Legie-rung, Abmessung des Gefäßes und MTS 1500. Zusätzlich werden die Minimum- und Maximumbehandlungszeit festgelegt. Der gewünschte Wasserstoffgehalt am Ende der Behandlung ist der Zielwert für die Optimierung (Abbildung 6). Abschließend wird die Optimierungsmethode definiert, welche maßgeblich von den Erfordernissen des Kunden abhängt. Die unterschiedlichen Methoden bieten die Möglichkeit, das Ziel auf unterschiedlichen Wegen zu erreichen. Die Geringe Gasmenge kann in Regionen mit hohen Kosten für Inertgas gewählt werden. High-speed ist ein Weg, um zeitweise oder dauerhafte Engpässe in der Schmel-zebehandlung zu überbrücken.

6. Bediener-Bildschirm

Alle bisher beschriebenen Eingabemenüs sind nur für den Ad-ministrator zugänglich und mit einem Passwort geschützt. Der Bediener vor Ort sieht eine speziell gestaltete graphische Ober-fläche mit einer Auswahl von bis zu 10 Programmen. Zusätzlich werden die Umgebungsbedingungen und die verbleibende Be-handlungszeit angezeigt (Abbildung 7).

Ergebnisse von Gießerei-VersuchenDie SMARTT Software ist an einem FDU Mark 10 MTS 1500 - einem mobilen Entgasungsgerät mit einer Dosiereinheit für Granulat - im Einsatz. Die ersten Versuche hatten das Ziel, einen Wasserstoffgehalt von 0,08 ml Wasserstoff pro 100 g Aluminium zu erreichen, was einer durchschnittlich guten Qualität entspricht. Die Versuchsparameter für die Optimierung in Tabelle 2 entsprechen dabei den für die Entgasungssimulation am Beginn des Artikels genutzten Werten (Tabelle 1).

Die folgenden Übersichten vergleichen unter variierenden Anfangs-bedingungen oder Kundenvorgaben die von SMARTT vorgeschla-genen Behandlungsparameter, mit denen das Ziel erreicht wird.

Tabelle 3 zeigt die Ergebnisse für unterschiedliche Optimie-rungsmethoden, Tabelle 4 vergleicht Werte für verschiedene Umgebungsbedingungen während Tabelle 5 den Einfluss der Schmelzetemperatur betrachtet.


Für die Methoden Geringe Gasmenge, Standard und Geringer Verschleiß sucht SMARTT eine mögliche Lösung in der gewünsch-ten Behandlungszeit. Die Methode Geringe Gasmenge wählt die maximal mögliche Rotorgeschwindigkeit im Arbeitsbereich und berechnet die dazugehörige Gasmenge, um das Wasserstoffziel zu erreichen. Geringer Verschleiß arbeitet umgekehrt bei höchs-ter Gasmenge und korrespondierender Drehzahl. Standard ist der Mittelwert von beiden Extremen. High-speed findet die kürzeste Behandlungszeit, wobei Gasmenge und Rotorgeschwindigkeit nahe ihrer Maxima des Arbeitsbereichs gesetzt sind.

Tabelle 2: SMARTT Ausgangsparameter


AlSi7Mg0,30 ml H

2 / 100 g Al

zu Startkonzentration

750 °C Schmelzetemperatur (*) 300 s Mindestbehandlungszeit (*)

50 % Relative Luftfeuchtigkeit (*) 25 °C Umgebungstemperatur (*)

(*) – Werte können in einigen Beispielen abweichen

Abbildung 6: Programm-Menü

Abbildung 7: Bediener-Bildschirm

Geringe Gasmenge

Standard

Tabelle 3: Behandlungsparameter für unterschiedliche Entgasungsmethoden

Geringer Verschleiß

High-speed

25

Die Methode Geringe Gasmenge verbraucht 55 Liter Inertgas pro Behandlung weniger im Vergleich zu Geringer Verschleiß. Schmelzereien mit vier Behandlungen pro Stunde sparen 1.500 Nm³ pro Jahr, was etwa 150 Gasflaschen entspricht.

Bei Geringer Verschleiß reduziert sich der Abrieb an Grafitschaft und Rotor. Anwender berichten von 25 % längerer Standzeit bei einer Reduzierung um 150 1/min Rotorgeschwindigkeit. Je nach den Bedingungen in der Schmelzerei können bei vier Behand-lungen pro Stunde bis zu 15 Satz Verschleißteile, bestehend aus Rotor und Schaft, pro Jahr eingespart werden.


SMARTT übernimmt die Messwerte für Luftfeuchtigkeit und -temperatur unmittelbar vor jeder Behandlung und optimiert mit diesen Messwerten. Bei höherer Luftfeuchtigkeit steigen Rotordrehzahl sowie Inertgasmenge und umgekehrt. Dieses Ergebnis ist zu erwarten, da über die Oberfläche der Schmelze mehr Wasserstoff erneut in Lösung gehen kann. Unter den ge-wählten Bedingungen findet SMARTT mögliche Lösungen für Umgebungsbedingungen bis 75 % relative Luftfeuchtigkeit und 28 °C Lufttemperatur. Für höhere Luftfeuchtigkeit kann das Ziel von 0,08 ml Wasserstoff pro 100 g Aluminium nicht erreicht werden, da die Wiederaufnahme an der turbulenten Oberfläche überwiegt.

3. Schmelzetemperatur

Aluminium löst bei höheren Schmelzetemperaturen mehr Wasserstoff, und die Wiederaufnahme über die Oberfläche während einer Entgasung geht zusätzlich schneller von-statten. Die Entgasung findet mit höheren Drehzahlen und Inertgasmengen statt, um bei steigenden Temperaturen das Ziel zu erreichen. SMARTT findet zum Beispiel geeignete Parameter im Arbeitsbereich des Rotors für eine Temperatur bis 780 °C; bei 800 °C dominiert die Wiederaufnahme an der Oberfläche und es kann keine logische Lösung vorgeschlagen werden (Tabelle 5).

4. Datenaufzeichnung

SMARTT beinhaltet ein Modul, das alle Behandlungsparameter als Funktion der Zeit protokolliert. Dabei werden sowohl die vordefinierten als auch die durch SMARTT optimierten Soll- und Ist-Werte gespeichert. Diese sehr komfortable Methode ersetzt externe Softwarelösungen, welche auf separaten Computern mit externen Softwarepaketen laufen. Die Daten können problemlos in ein Officeformat transferiert und dann wie gewohnt ausge-wertet werden.

Zusammenfassung- Gussteile benötigen Schmelze mit konstantem Wasserstoff-

gehalt.

- Schwankende Ausgangswerte bei der Schmelzequalität ma-chen es oft unmöglich, das Ziel auf kostengünstige Art und Weise zu erreichen.

- Schmelzereien kompensieren diesen Effekt durch deutlich zu lange Behandlungszeiten, was sowohl Behandlungsgas als auch Grafitverschleißteile vergeudet.

- SMARTT bietet eine benutzerfreundliche Oberfläche zur Ein-gabe und Verwaltung von Behandlungsparametern.

- Die innovative Steuerungssoftware schlägt die besten Para-meter vor unter Beachtung von Umgebungsbedingungen und Kundenvorgaben.

- SMARTT spart Inertgas oder verlängert die Lebensdauer der Schäfte und Rotoren.

- SMARTT protokolliert alle Behandlungsparameter.

- Diese innovative Software ist bestens geeignet für Gießereien mit großen Schmelzemengen und unterschiedlichen Gusstei-len mit gleichen oder ähnlichen Qualitätsanforderungen.

Tabelle 4: Behandlungsparameter für unterschiedlicheUmgebungsbedingungen

Standard – 15 °C Lufttemperatur / 30 % relative Luftfeuchtigkeit



Abbildung 8: Datenaufzeichnung

Standard – 700 °C Schmelzetemperatur



Tabelle 5: Behandlungsparameter für unterschiedliche Schmelzetemperaturen

5. Programm-Menü

Das Programm-Menü vereinigt alle vordefinierten Daten: Legie-rung, Abmessung des Gefäßes und MTS 1500. Zusätzlich werden die Minimum- und Maximumbehandlungszeit festgelegt. Der gewünschte Wasserstoffgehalt am Ende der Behandlung ist der Zielwert für die Optimierung (Abbildung 6). Abschließend wird die Optimierungsmethode definiert, welche maßgeblich von den Erfordernissen des Kunden abhängt. Die unterschiedlichen Methoden bieten die Möglichkeit, das Ziel auf unterschiedlichen Wegen zu erreichen. Die Geringe Gasmenge kann in Regionen mit hohen Kosten für Inertgas gewählt werden. High-speed ist ein Weg, um zeitweise oder dauerhafte Engpässe in der Schmel-zebehandlung zu überbrücken.

6. Bediener-Bildschirm

Alle bisher beschriebenen Eingabemenüs sind nur für den Ad-ministrator zugänglich und mit einem Passwort geschützt. Der Bediener vor Ort sieht eine speziell gestaltete graphische Ober-fläche mit einer Auswahl von bis zu 10 Programmen. Zusätzlich werden die Umgebungsbedingungen und die verbleibende Be-handlungszeit angezeigt (Abbildung 7).

Ergebnisse von Gießerei-VersuchenDie SMARTT Software ist an einem FDU Mark 10 MTS 1500 - einem mobilen Entgasungsgerät mit einer Dosiereinheit für Granulat - im Einsatz. Die ersten Versuche hatten das Ziel, einen Wasserstoffgehalt von 0,08 ml Wasserstoff pro 100 g Aluminium zu erreichen, was einer durchschnittlich guten Qualität entspricht. Die Versuchsparameter für die Optimierung in Tabelle 2 entsprechen dabei den für die Entgasungssimulation am Beginn des Artikels genutzten Werten (Tabelle 1).

Die folgenden Übersichten vergleichen unter variierenden Anfangs-bedingungen oder Kundenvorgaben die von SMARTT vorgeschla-genen Behandlungsparameter, mit denen das Ziel erreicht wird.

Tabelle 3 zeigt die Ergebnisse für unterschiedliche Optimie-rungsmethoden, Tabelle 4 vergleicht Werte für verschiedene Umgebungsbedingungen während Tabelle 5 den Einfluss der Schmelzetemperatur betrachtet.


Für die Methoden Geringe Gasmenge, Standard und Geringer Verschleiß sucht SMARTT eine mögliche Lösung in der gewünsch-ten Behandlungszeit. Die Methode Geringe Gasmenge wählt die maximal mögliche Rotorgeschwindigkeit im Arbeitsbereich und berechnet die dazugehörige Gasmenge, um das Wasserstoffziel zu erreichen. Geringer Verschleiß arbeitet umgekehrt bei höchs-ter Gasmenge und korrespondierender Drehzahl. Standard ist der Mittelwert von beiden Extremen. High-speed findet die kürzeste Behandlungszeit, wobei Gasmenge und Rotorgeschwindigkeit nahe ihrer Maxima des Arbeitsbereichs gesetzt sind.

Tabelle 2: SMARTT Ausgangsparameter


AlSi7Mg0,30 ml H

2 / 100 g Al

zu Startkonzentration

750 °C Schmelzetemperatur (*) 300 s Mindestbehandlungszeit (*)

50 % Relative Luftfeuchtigkeit (*) 25 °C Umgebungstemperatur (*)

(*) – Werte können in einigen Beispielen abweichen

Abbildung 6: Programm-Menü

Abbildung 7: Bediener-Bildschirm

Geringe Gasmenge

Standard

Tabelle 3: Behandlungsparameter für unterschiedliche Entgasungsmethoden

Geringer Verschleiß

High-speed


iniumschm

elzen

26

Die Methode Geringe Gasmenge verbraucht 55 Liter Inertgas pro Behandlung weniger im Vergleich zu Geringer Verschleiß. Schmelzereien mit vier Behandlungen pro Stunde sparen 1.500 Nm³ pro Jahr, was etwa 150 Gasflaschen entspricht.

Bei Geringer Verschleiß reduziert sich der Abrieb an Grafitschaft und Rotor. Anwender berichten von 25 % längerer Standzeit bei einer Reduzierung um 150 1/min Rotorgeschwindigkeit. Je nach den Bedingungen in der Schmelzerei können bei vier Behand-lungen pro Stunde bis zu 15 Satz Verschleißteile, bestehend aus Rotor und Schaft, pro Jahr eingespart werden.


SMARTT übernimmt die Messwerte für Luftfeuchtigkeit und -temperatur unmittelbar vor jeder Behandlung und optimiert mit diesen Messwerten. Bei höherer Luftfeuchtigkeit steigen Rotordrehzahl sowie Inertgasmenge und umgekehrt. Dieses Ergebnis ist zu erwarten, da über die Oberfläche der Schmelze mehr Wasserstoff erneut in Lösung gehen kann. Unter den ge-wählten Bedingungen findet SMARTT mögliche Lösungen für Umgebungsbedingungen bis 75 % relative Luftfeuchtigkeit und 28 °C Lufttemperatur. Für höhere Luftfeuchtigkeit kann das Ziel von 0,08 ml Wasserstoff pro 100 g Aluminium nicht erreicht werden, da die Wiederaufnahme an der turbulenten Oberfläche überwiegt.

3. Schmelzetemperatur

Aluminium löst bei höheren Schmelzetemperaturen mehr Wasserstoff, und die Wiederaufnahme über die Oberfläche während einer Entgasung geht zusätzlich schneller von-statten. Die Entgasung findet mit höheren Drehzahlen und Inertgasmengen statt, um bei steigenden Temperaturen das Ziel zu erreichen. SMARTT findet zum Beispiel geeignete Parameter im Arbeitsbereich des Rotors für eine Temperatur bis 780 °C; bei 800 °C dominiert die Wiederaufnahme an der Oberfläche und es kann keine logische Lösung vorgeschlagen werden (Tabelle 5).

4. Datenaufzeichnung

SMARTT beinhaltet ein Modul, das alle Behandlungsparameter als Funktion der Zeit protokolliert. Dabei werden sowohl die vordefinierten als auch die durch SMARTT optimierten Soll- und Ist-Werte gespeichert. Diese sehr komfortable Methode ersetzt externe Softwarelösungen, welche auf separaten Computern mit externen Softwarepaketen laufen. Die Daten können problemlos in ein Officeformat transferiert und dann wie gewohnt ausge-wertet werden.

Zusammenfassung- Gussteile benötigen Schmelze mit konstantem Wasserstoff-

gehalt.

- Schwankende Ausgangswerte bei der Schmelzequalität ma-chen es oft unmöglich, das Ziel auf kostengünstige Art und Weise zu erreichen.

- Schmelzereien kompensieren diesen Effekt durch deutlich zu lange Behandlungszeiten, was sowohl Behandlungsgas als auch Grafitverschleißteile vergeudet.

- SMARTT bietet eine benutzerfreundliche Oberfläche zur Ein-gabe und Verwaltung von Behandlungsparametern.

- Die innovative Steuerungssoftware schlägt die besten Para-meter vor unter Beachtung von Umgebungsbedingungen und Kundenvorgaben.

- SMARTT spart Inertgas oder verlängert die Lebensdauer der Schäfte und Rotoren.

- SMARTT protokolliert alle Behandlungsparameter.

- Diese innovative Software ist bestens geeignet für Gießereien mit großen Schmelzemengen und unterschiedlichen Gusstei-len mit gleichen oder ähnlichen Qualitätsanforderungen.

Tabelle 4: Behandlungsparameter für unterschiedlicheUmgebungsbedingungen




Abbildung 8: Datenaufzeichnung




Tabelle 5: Behandlungsparameter für unterschiedliche Schmelzetemperaturen

Ausgabe 264

CMYKGrey : 0 / 0 / 0 /85Red : 0 / 100 / 96 / 0

Zustellung von Dosieröfen mit Insural

Das Ziel: Hohe AnlagenverfügbarkeitDie Lösung für Ihren Dosierofen: Komplett trockene Zustellung mit INSURAL Fertigteilen und hochwertigen Isoliermaterialien. Hohe Energieeinsparung, keine Sinterung, schneller zu einem niedrigen Dichteindex, leichtere Ofenreinigung.

Eine Marktanalyse in unserem Kundenkreis zu den Problemen mit Dosieröfen zeigte unter anderem, dass es Optimierungsbedarf hinsichtlich der Ofenreinigung und Korundbildung gab. Um diese Probleme zu lösen, wurden umfangreiche Versuche mit verschiedenen INSURAL Rezepturen in einem eigens dafür angeschafften Versuchsofen durchgeführt und die geeigneten Rezepturen ermittelt.

Foseco bietet für die Dosieröfen eine komplett trockene Zustellung mit INSURAL Fertigteilen an, welche nicht nur wirtschaftlich attraktiv ist, sondern noch folgende Vorteile bietet:

• EineZustellungvorOrtistmöglich

• DiekompletteSinterungentfällt

• DerDichteindexwirdinwesentlichkürzererZeiterreicht

• DieKorundbildungwirdaufeinMinimumreduziert

• Durch die einfache Reinigungwird ein Legierungswechselmit wenig Aufwand möglich

• EinenennenswerteEnergieeinsparungwirderreicht

Die Fertigteile bestehen aus einer einteiligen Wanne, welche den gesamten Schmelzebereich aufnimmt und fugenfrei hergestellt wird. Ergänztwird dieWanne durch zwei Deckensteine, zweiHeizungssteine und sechs Heizstabschutzhülsen. Alle Bauteile werden ohne Kleber oder Mörtel montiert und können von ungelernten Arbeitskräften zusammengebaut werden. DerAufwand für einen Ofen mit einem Fassungsvermögen von 650 Kg beträgt ca. 65-70 Mannstunden, je nach örtlichenGegebenheiten. Sonderwerkzeuge sind für die Montage nicht notwendig.

DerBereichderHeizstäbemitdengetrenntenHeizungssteinenund Heizstabschutzhülsen bietet den großen Vorteil, dass keine Risse mehr entstehen und die Heizstäbe leichter gewechseltwerden können.

Ergänzt werden die INSURAL Bauteile durch hochwertigeIsoliermaterialien in Plattenform und als Schüttung. Die Platten werden in einer bestimmten Reihenfolge auf den Stahlmantelgeklebtundsorgfältigverfugt.DerSpalt zwischenden Isolierplatten und den INSURAL Bauteilen wird mit einer Isolierenden Schüttung aufgefüllt und leicht verdichtet. Der Heizungsbereich wird mittels INSURAL Platten von der Schüttung getrennt.

Da keine Stampfmassen verwendet werden, besteht die Aussicht, dass ein Teil der Isolierung bei einer Folgezustellung wiederverwendet werden kann. Hierzu liegen aber noch keine Erfahrungen vor, da bereits alle nach diesem System zugestellten Öfen in Betrieb sind.

Nach der Montage kann der Ofen sofort eingeschaltet werden und ist nach Erreichen der gewünschten Ofenraumtemperatur einsatzbereit.

Wie aus dem Diagramm ersichtlich, wird schon mit diesem Arbeitsschritt ein großer Zeitgewinn erreicht.

Je nach Gießverfahren und Qualitätsanforderungen spielt derDichteindex eine bedeutende Rolle für die Verfügbarkeit des Dosierofens.

Da keine Feuchtigkeit aus den Zustellmaterialien ausgetragen werden muss, ist der Zeitgewinn, je nach gewünschtemDichteindex, etwa gleichhoch als bei der Sinterung.

Diagramm 1. Aufheiz- / Sinterkurve

Dosierofen mit 650 Kg Fassungsvermögen

Stampfmasse INSURAL

Aufheizkurve / Sinterkurve

27

Durch den Einsatz von INSURAL wird neben der extremen Minimierung der Korundbildung auch die Ofenreinigung durch die Nichtbenetzung sehr erleichtert. Dies zeigen die bisherigen Erfahrungen aus der Praxis. (siehe Abbildung 2)

EinLegierungswechselauchnachJahrenistjederzeitmöglich.Esbedarf lediglicheiner sorgfältigerenReinigungderWanneundnur einer Spülcharge. Dies wird bereits seit mehreren Jahren von Kunden im Druckguss praktiziert.

Da INSURAL auch eine gute Isolierwirkung bietet, ist es die Basis für das Isolierkonzept des Dosierofens.

Ein Praxisbeispiel zeigt, dass ein Dosierofen mit 650 Kg Fassungsvermögen in ca. 11 Stunden von Raumtemperatur auf 720°Caufgeheiztwerdenkann.(sieheDiagramm1)

Die durchgeführten Messungen der Leistungsaufnahme beim Betrieb eines Dosierofens mit 650 Kg Fassungsvermögen zeigen einenbiszu17%geringerenEnergiebedarf.Außerdembleibt-wesentlichfürdieKorundbildung-dieHeizleistunginca.98%der Zeit auf der niedrigen Leistungsstufe. Diese Tatsache dürfte nicht nur einen Einfl uss auf die Spitzenabschaltung haben, sondern senkt auch den Verbrauch im Wochenendbetrieb.

Ein anderer Praxisvergleich für einen Dosierofen mit 1050 Kg Fassungsvermögen zeigt im Vorher-/Nachher-Vergleichein Einsparungspotential von ca. 80 KW/h, bzw. 25 % proTag. Dieser hohe Wert resultiert vermutlich aus der hohen Schmelzetemperaturvonca.780°C,bestätigtabereindeutigdieTendenz zu einer deutlichen Energieeffi zienz.

FazitDie Ofenzustellung mit INSURAL Fertigteilen bietet gegenüber einerherkömmlichenZustellungeineReihevonerheblichenVor-teilen:

• SchnelleZustellungvorOrtmöglich

• KeinSintervorgangnotwendig

• KeineerhöhteWasserstoffaufnahme

• GeringeKorundbildung

• NennenswerteEnergieeinsparung

• EinfacheReinigung

Diagramm 3. Leistungsaufnahme

Diagramm 4. Vergleich der Leistungsaufnahme vor der Zustellung

Diagramm 5. Vergleich der Leistungsaufnahme nach der Zustellung

Abbildung 2. Ofenzustand nach 3,5 Jahren

529,05

384,45

30,05

2,14

905

905

0,00 100,00 200,00 300,00 400,00 500,00 600,00 700,00 800,00 900,00 1000,00

Stam

pfm

asse

INSU

RAL

Leistungsaufnahme in StundenDosierofen mit 650 Kg Fassungsvermögen

Messdauer in Stunden Max Stufe (14,25 KW/h) Min Stufe (10,71 KW/h)

0,0

100,0

200,0

300,0

400,0

500,0

600,0

12.1

0.20

14

14.1

0.20

14

16.1

0.20

14

18.1

0.20

14

20.1

0.20

14

22.1

0.20

14

24.1

0.20

14

26.1

0.20

14

28.1

0.20

14

30.1

0.20

14

01.1

1.20

14

03.1

1.20

14

05.1

1.20

14

07.1

1.20

14

09.1

1.20

14

11.1

1.20

14

13.1

1.20

14

15.1

1.20

14

17.1

1.20

14

Vergleich Leistungsaufnahme (vor Zustellung)Ofen HWS2 in 2 Schichtbetrieb, Ofen 11 in 1 Schichtbetrieb

Ofen HWS2 Dosier (kW/h) Ofen 11 Dosier (kW/h)

5 Periode gleit. Mittelw. (Ofen HWS2 Dosier (kW/h)) 5 Periode gleit. Mittelw. (Ofen 11 Dosier (kW/h))

0,0

50,0

100,0

150,0

200,0

250,0

300,0

350,0

400,0

450,0

500,0

22.1

1.20

14

24.1

1.20

14

26.1

1.20

14

28.1

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Vergleich Leistungsaufnahme (nach Zustellung)Ofen HWS2 in 2 Schichtbetrieb, Ofen 11 in 1 Schichtbetrieb



Stillstand über Feiertage

Diagramm 2. Verlauf Dichteindex

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DichteindexDosierofen mit 1050 Kg Fassungsvermögen

Stampfmasse INSURALStampfmasse INSURAL

Abbildung 3. Wärmebild einer herkömmlichen Zustellung


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Vergleich Leistungsaufnahme (nach Zustellung)Ofen HWS2 in 2-Schichtbetrieb, Ofen 11 in 1-Schichtbetrieb

Vergleich Leistungsaufnahme (vor Zustellung)Ofen HWS2 in 2-Schichtbetrieb, Ofen 11 in 1-Schichtbetrieb

Zustellung von Dosieröfen mit Insural

Das Ziel: Hohe AnlagenverfügbarkeitDie Lösung für Ihren Dosierofen: Komplett trockene Zustellung mit INSURAL Fertigteilen und hochwertigen Isoliermaterialien. Hohe Energieeinsparung, keine Sinterung, schneller zu einem niedrigen Dichteindex, leichtere Ofenreinigung.

Eine Marktanalyse in unserem Kundenkreis zu den Problemen mit Dosieröfen zeigte unter anderem, dass es Optimierungsbedarf hinsichtlich der Ofenreinigung und Korundbildung gab. Um diese Probleme zu lösen, wurden umfangreiche Versuche mit verschiedenen INSURAL Rezepturen in einem eigens dafür angeschafften Versuchsofen durchgeführt und die geeigneten Rezepturen ermittelt.

Foseco bietet für die Dosieröfen eine komplett trockene Zustellung mit INSURAL Fertigteilen an, welche nicht nur wirtschaftlich attraktiv ist, sondern noch folgende Vorteile bietet:

• EineZustellungvorOrtistmöglich

• DiekompletteSinterungentfällt

• DerDichteindexwirdinwesentlichkürzererZeiterreicht

• DieKorundbildungwirdaufeinMinimumreduziert

• Durch die einfache Reinigungwird ein Legierungswechselmit wenig Aufwand möglich

• EinenennenswerteEnergieeinsparungwirderreicht

Die Fertigteile bestehen aus einer einteiligen Wanne, welche den gesamten Schmelzebereich aufnimmt und fugenfrei hergestellt wird. Ergänztwird dieWanne durch zwei Deckensteine, zweiHeizungssteine und sechs Heizstabschutzhülsen. Alle Bauteile werden ohne Kleber oder Mörtel montiert und können von ungelernten Arbeitskräften zusammengebaut werden. DerAufwand für einen Ofen mit einem Fassungsvermögen von 650 Kg beträgt ca. 65-70 Mannstunden, je nach örtlichenGegebenheiten. Sonderwerkzeuge sind für die Montage nicht notwendig.

DerBereichderHeizstäbemitdengetrenntenHeizungssteinenund Heizstabschutzhülsen bietet den großen Vorteil, dass keine Risse mehr entstehen und die Heizstäbe leichter gewechseltwerden können.

Ergänzt werden die INSURAL Bauteile durch hochwertigeIsoliermaterialien in Plattenform und als Schüttung. Die Platten werden in einer bestimmten Reihenfolge auf den Stahlmantelgeklebtundsorgfältigverfugt.DerSpalt zwischenden Isolierplatten und den INSURAL Bauteilen wird mit einer Isolierenden Schüttung aufgefüllt und leicht verdichtet. Der Heizungsbereich wird mittels INSURAL Platten von der Schüttung getrennt.

Da keine Stampfmassen verwendet werden, besteht die Aussicht, dass ein Teil der Isolierung bei einer Folgezustellung wiederverwendet werden kann. Hierzu liegen aber noch keine Erfahrungen vor, da bereits alle nach diesem System zugestellten Öfen in Betrieb sind.

Nach der Montage kann der Ofen sofort eingeschaltet werden und ist nach Erreichen der gewünschten Ofenraumtemperatur einsatzbereit.

Wie aus dem Diagramm ersichtlich, wird schon mit diesem Arbeitsschritt ein großer Zeitgewinn erreicht.

Je nach Gießverfahren und Qualitätsanforderungen spielt derDichteindex eine bedeutende Rolle für die Verfügbarkeit des Dosierofens.

Da keine Feuchtigkeit aus den Zustellmaterialien ausgetragen werden muss, ist der Zeitgewinn, je nach gewünschtemDichteindex, etwa gleichhoch als bei der Sinterung.

Diagramm 1. Aufheiz- / Sinterkurve

Dosierofen mit 650 Kg Fassungsvermögen

Stampfmasse INSURAL

Aufheizkurve / Sinterkurve

28

Durch den Einsatz von INSURAL wird neben der extremen Minimierung der Korundbildung auch die Ofenreinigung durch die Nichtbenetzung sehr erleichtert. Dies zeigen die bisherigen Erfahrungen aus der Praxis. (siehe Abbildung 2)

EinLegierungswechselauchnachJahrenistjederzeitmöglich.Esbedarf lediglicheiner sorgfältigerenReinigungderWanneundnur einer Spülcharge. Dies wird bereits seit mehreren Jahren von Kunden im Druckguss praktiziert.

Da INSURAL auch eine gute Isolierwirkung bietet, ist es die Basis für das Isolierkonzept des Dosierofens.

Ein Praxisbeispiel zeigt, dass ein Dosierofen mit 650 Kg Fassungsvermögen in ca. 11 Stunden von Raumtemperatur auf 720°Caufgeheiztwerdenkann.(sieheDiagramm1)

Die durchgeführten Messungen der Leistungsaufnahme beim Betrieb eines Dosierofens mit 650 Kg Fassungsvermögen zeigen einenbiszu17%geringerenEnergiebedarf.Außerdembleibt-wesentlichfürdieKorundbildung-dieHeizleistunginca.98%der Zeit auf der niedrigen Leistungsstufe. Diese Tatsache dürfte nicht nur einen Einfl uss auf die Spitzenabschaltung haben, sondern senkt auch den Verbrauch im Wochenendbetrieb.

Ein anderer Praxisvergleich für einen Dosierofen mit 1050 Kg Fassungsvermögen zeigt im Vorher-/Nachher-Vergleichein Einsparungspotential von ca. 80 KW/h, bzw. 25 % proTag. Dieser hohe Wert resultiert vermutlich aus der hohen Schmelzetemperaturvonca.780°C,bestätigtabereindeutigdieTendenz zu einer deutlichen Energieeffi zienz.

FazitDie Ofenzustellung mit INSURAL Fertigteilen bietet gegenüber einerherkömmlichenZustellungeineReihevonerheblichenVor-teilen:

• SchnelleZustellungvorOrtmöglich

• KeinSintervorgangnotwendig

• KeineerhöhteWasserstoffaufnahme

• GeringeKorundbildung

• NennenswerteEnergieeinsparung

• EinfacheReinigung

Diagramm 3. Leistungsaufnahme

Diagramm 4. Vergleich der Leistungsaufnahme vor der Zustellung

Diagramm 5. Vergleich der Leistungsaufnahme nach der Zustellung

Abbildung 2. Ofenzustand nach 3,5 Jahren

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Vergleich Leistungsaufnahme (vor Zustellung)Ofen HWS2 in 2 Schichtbetrieb, Ofen 11 in 1 Schichtbetrieb



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Vergleich Leistungsaufnahme (nach Zustellung)Ofen HWS2 in 2 Schichtbetrieb, Ofen 11 in 1 Schichtbetrieb



Stillstand über Feiertage

Diagramm 2. Verlauf Dichteindex

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DichteindexDosierofen mit 1050 Kg Fassungsvermögen

Stampfmasse INSURALStampfmasse INSURAL

Abbildung 3. Wärmebild einer herkömmlichen Zustellung


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Vergleich Leistungsaufnahme (nach Zustellung)Ofen HWS2 in 2-Schichtbetrieb, Ofen 11 in 1-Schichtbetrieb

Vergleich Leistungsaufnahme (vor Zustellung)Ofen HWS2 in 2-Schichtbetrieb, Ofen 11 in 1-Schichtbetrieb

Zustellung von Dosieröfen mit In

surAL

Ausgabe 264

CMYKGrey : 0 / 0 / 0 /85Red : 0 / 100 / 96 / 0

Untersuchungen zur Durchmischung von großen Gießöfen mit unterschiedlichen Rührerdesigns

EinleitungDieser Bericht untersucht die Wirkung von Entgasungsgeräten mit pumpenden Rotoren in widerstandsbeheizten Halte- und Gießöfen im Hinblick auf eine homogene Schmelzequalität. Dabei wird eine praktikable und ökonomisch vertretbare Lösung gesucht. Die Gießöfen versorgen eine Kokillengießzelle zur Herstellung von Zylinderköpfen im Automobilbau.

Die meisten großen und mittleren Aluminiumgießereien haben eine zentrale Schmelzerei, um die Gießerei bei hoher Produktivität und niedrigen Kosten mit flüssigem Aluminium zu versorgen. Dabei kommen Schachtschmelzöfen mit hoher spezifischer Schmelzleistung zum Einsatz; der Energieeinsatz ist reduziert und der Schmelzverlust durch Oxidation minimiert. Die Schmelzebehandlung erfolgt normalerweise in der Transportpfanne, die Schmelze wird anschließend in den Gieß- oder Halteofen direkt an der Vergießanlage gefüllt.

Diese Öfen können elektrisch widerstandsbeheizte Tiegelöfen, deckenbeheizte Kammeröfen mit Schöpfbereich oder Dosieröfen sein. Deren Kapazität ermöglicht ein mehrstündiges Vergießen, wobei die Öfen regelmäßig nachgefüllt werden. Nachteilig ist bei diesem Verfahren die teilweise lange Verweildauer der Schmelze im Ofen.

Die lange Verweildauer führt in Aluminiumgießöfen zu folgenden Nachteilen:

1. In deckenbeheizten Elektroöfen ist die Temperatur an der Schmelzeoberfläche höher als am Boden, was zu einer inhomogenen Temperaturverteilung führt.

2. Schwere Legierungsbestandteile und intermetallische Verbindungen sinken zu Boden. Öfen dieser Bauart sind schwierig zu reinigen, da sich nach längerer Zeit ein Bodensatz bildet. Bei plötzlichen, intensiven Badbewegung wirbeln diese Verbindungen auf und vermischen sich mit sauberer Schmelze. Eine solche Wolke an Verunreinigungen kann die Qualität einer ganzen Gießcharge negativ beeinflussen.

3. Der Wasserstoffgehalt der Schmelze ändert sich in Abhängigkeit von Ofentemperatur und Luftfeuchtigkeit.

Seigerungen und Inhomogenitäten in großen Gießöfen führen zu folgenden Nachteilen und Problemen:

• Kaltlauf im Guss bei zu geringer Gießtemperatur

• Schwindungsporosität im Guss bei zu hoher Gießtemperatur

• Ungenügende Kornfeinung durch Absetzen von kornfeinenden Titandiboriden

• Einschlüsse im Guss durch Aufwirbeln von Verunreinigungen

• Gasporosität durch wechselnde Ofenatmosphäre

In Halteöfen mit mehreren Tonnen Fassungsvermögen kommen üblicherweise elektromagnetische oder mechanische Rührer zum Einsatz. Für Öfen mit ein bis zwei Tonnen Schmelzeinhalt ist ein solches Verfahren derzeit kaum verbreitet.

Montupet ist eine französische Gruppe von Aluminiumgießereien, die seit vielen Jahren als Technologieführer bei der Herstellung von komplexen Aluminiumgussteilen für die weltweite Automobilindustrie gilt. AUDI, BMW, CITROËN, DAEWOO, FORD, GENERAL MOTORS, NISSAN, PEUGEOT, RENAULT und VOLVO sind seit vielen Jahren Kunden für Zylinderköpfe und andere Fahrzeugkomponenten wie beispielsweise Nabenträger, Achsschenkel, Pumpen- und Turbocharger-Gehäuse, Haupt-bremszylinder und Bremsträger. Die Montupet-Gruppe umfasst sieben Gießereien in Frankreich, Großbritannien, Spanien, Mexiko und Bulgarien, welche die jeweils beste Technologie in Abhängigkeit von Gussteilspezifikation und Gießverfahren verwenden. Da Montupet unter anderem Zylinderköpfe für Diesel- und Benzinmotoren herstellt, ist eine Kornfeinung der Schmelze mit Titandiborid notwendig. Dieses Verfahren führt bei längerer Standzeit der Schmelze im Ofen zum Absetzen dieser Partikel. Zur Aufrechterhaltung des geforderten hohen Qualitätslevels sucht Montupet nach einem Verfahren zur Homogenisierung der Gieß- oder Halteöfen und arbeitet deswegen an der Fragestellung zur Vermeidung von TiB

2 Seigerungen.

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Klassifizierung unterschiedlicher RotortypenEin industriell eingesetzter Rotor arbeitet wie ein großer Mixer; Rotoren sind dabei in der Verfahrenstechnik weit verbreitet: In der Chemie, Petrochemie, Pharmazie, Biotechnologie, Polymerindustrie, Farben-, Lebensmittel- und Kosmetikherstellung, Papierindustrie, Wasser- und Abwasserbehandlung, Erzaufbereitung und natürlich in der Metallurgie werden Rotoren verwendet.

Es kommen verschiedene Rotortypen zum Einsatz, die beispielsweise aus Glas, Kunststoff (PP, PTFE), Metall oder Grafit gefertigt sind. In Abhängigkeit des Einsatzzwecks sind bestimmte Rotoren besser oder schlechter für eine bestimmte Aufgabe geeignet, wobei oft eine Kombination aus unterschiedlichen Rotoreigenschaften zum Einsatz kommt.

Auswahlfaktoren für Rotoren sind unter anderem die Viskosität des Mediums, das Durchmischungsvermögen oder die verwendete Technologie:

• Homogenisierung

• Entgasung

• Feststoff-Flüssigkeit-Verteilung

• Flüssig-Flüssig-Mischung

• Wärmeübertragung

• Chemische Reaktionen

In dieser Untersuchung werden folgende Haupteinsatzziele für Gießöfen eingehend untersucht:


• Feststoffverteilung

• Homogenisierung

Die u. a. Rotoren wurden hinsichtlich ihrer Effektivität bei der Erfüllung dieser Aufgaben untersucht:

• Propeller-Rotoren

• Balken-Rührer (Rushton-Turbine)

• Foseco MTS FDR Pumprotor

• Foseco FDU TDR Pumprotor

Rührer können hinsichtlich ihrer Durchmischungsrichtung unterteilt werden:

• Axial-Rührer (Bewegung der Flüssigkeit in axialer Richtung parallel zum Schaft – Abbildung 3 und 4)

• Radial-Rührer (Bewegung der Flüssigkeit in Querrichtung vom Schaft weg – Abbildung 5 und 6)

Propeller-Rührer

Dieser Rührer besteht, wie eine Schiffsschraube, aus drei Schaufeln, welche die Flüssigkeiten parallel zum Schaft bewegen. Er wird zur Flüssig-Flüssig-Mischung, zum Homogenisieren und zur Wärmeübertragung genutzt.

Eine axiale Durchmischung mit Propeller-Rührern unterbindet die Bildung von Ablagerungen am Boden des Tanks und führt zu einer gleichmäßigen Suspension.

Abbildung 1. Montupet Gießerei in Ruse (BG)

Abbildung 2. Beispiele von Gussstücken aus Ruse (BG)

Abbildung 3: Axiale Bewegung Abbildung 4: Propeller-Rührer

Untersuchungen zur Durchmischung von großen Gießöfen mit unterschiedlichen Rührerdesigns

EinleitungDieser Bericht untersucht die Wirkung von Entgasungsgeräten mit pumpenden Rotoren in widerstandsbeheizten Halte- und Gießöfen im Hinblick auf eine homogene Schmelzequalität. Dabei wird eine praktikable und ökonomisch vertretbare Lösung gesucht. Die Gießöfen versorgen eine Kokillengießzelle zur Herstellung von Zylinderköpfen im Automobilbau.

Die meisten großen und mittleren Aluminiumgießereien haben eine zentrale Schmelzerei, um die Gießerei bei hoher Produktivität und niedrigen Kosten mit flüssigem Aluminium zu versorgen. Dabei kommen Schachtschmelzöfen mit hoher spezifischer Schmelzleistung zum Einsatz; der Energieeinsatz ist reduziert und der Schmelzverlust durch Oxidation minimiert. Die Schmelzebehandlung erfolgt normalerweise in der Transportpfanne, die Schmelze wird anschließend in den Gieß- oder Halteofen direkt an der Vergießanlage gefüllt.

Diese Öfen können elektrisch widerstandsbeheizte Tiegelöfen, deckenbeheizte Kammeröfen mit Schöpfbereich oder Dosieröfen sein. Deren Kapazität ermöglicht ein mehrstündiges Vergießen, wobei die Öfen regelmäßig nachgefüllt werden. Nachteilig ist bei diesem Verfahren die teilweise lange Verweildauer der Schmelze im Ofen.

Die lange Verweildauer führt in Aluminiumgießöfen zu folgenden Nachteilen:

1. In deckenbeheizten Elektroöfen ist die Temperatur an der Schmelzeoberfläche höher als am Boden, was zu einer inhomogenen Temperaturverteilung führt.

2. Schwere Legierungsbestandteile und intermetallische Verbindungen sinken zu Boden. Öfen dieser Bauart sind schwierig zu reinigen, da sich nach längerer Zeit ein Bodensatz bildet. Bei plötzlichen, intensiven Badbewegung wirbeln diese Verbindungen auf und vermischen sich mit sauberer Schmelze. Eine solche Wolke an Verunreinigungen kann die Qualität einer ganzen Gießcharge negativ beeinflussen.

3. Der Wasserstoffgehalt der Schmelze ändert sich in Abhängigkeit von Ofentemperatur und Luftfeuchtigkeit.

Seigerungen und Inhomogenitäten in großen Gießöfen führen zu folgenden Nachteilen und Problemen:

• Kaltlauf im Guss bei zu geringer Gießtemperatur

• Schwindungsporosität im Guss bei zu hoher Gießtemperatur

• Ungenügende Kornfeinung durch Absetzen von kornfeinenden Titandiboriden

• Einschlüsse im Guss durch Aufwirbeln von Verunreinigungen

• Gasporosität durch wechselnde Ofenatmosphäre

In Halteöfen mit mehreren Tonnen Fassungsvermögen kommen üblicherweise elektromagnetische oder mechanische Rührer zum Einsatz. Für Öfen mit ein bis zwei Tonnen Schmelzeinhalt ist ein solches Verfahren derzeit kaum verbreitet.

Montupet ist eine französische Gruppe von Aluminiumgießereien, die seit vielen Jahren als Technologieführer bei der Herstellung von komplexen Aluminiumgussteilen für die weltweite Automobilindustrie gilt. AUDI, BMW, CITROËN, DAEWOO, FORD, GENERAL MOTORS, NISSAN, PEUGEOT, RENAULT und VOLVO sind seit vielen Jahren Kunden für Zylinderköpfe und andere Fahrzeugkomponenten wie beispielsweise Nabenträger, Achsschenkel, Pumpen- und Turbocharger-Gehäuse, Haupt-bremszylinder und Bremsträger. Die Montupet-Gruppe umfasst sieben Gießereien in Frankreich, Großbritannien, Spanien, Mexiko und Bulgarien, welche die jeweils beste Technologie in Abhängigkeit von Gussteilspezifikation und Gießverfahren verwenden. Da Montupet unter anderem Zylinderköpfe für Diesel- und Benzinmotoren herstellt, ist eine Kornfeinung der Schmelze mit Titandiborid notwendig. Dieses Verfahren führt bei längerer Standzeit der Schmelze im Ofen zum Absetzen dieser Partikel. Zur Aufrechterhaltung des geforderten hohen Qualitätslevels sucht Montupet nach einem Verfahren zur Homogenisierung der Gieß- oder Halteöfen und arbeitet deswegen an der Fragestellung zur Vermeidung von TiB

2 Seigerungen.

Untersuchungen zur Durchm

ischung von großen Gießöfen m

it unterschiedlichen Rührerdesigns

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Klassifizierung unterschiedlicher RotortypenEin industriell eingesetzter Rotor arbeitet wie ein großer Mixer; Rotoren sind dabei in der Verfahrenstechnik weit verbreitet: In der Chemie, Petrochemie, Pharmazie, Biotechnologie, Polymerindustrie, Farben-, Lebensmittel- und Kosmetikherstellung, Papierindustrie, Wasser- und Abwasserbehandlung, Erzaufbereitung und natürlich in der Metallurgie werden Rotoren verwendet.

Es kommen verschiedene Rotortypen zum Einsatz, die beispielsweise aus Glas, Kunststoff (PP, PTFE), Metall oder Grafit gefertigt sind. In Abhängigkeit des Einsatzzwecks sind bestimmte Rotoren besser oder schlechter für eine bestimmte Aufgabe geeignet, wobei oft eine Kombination aus unterschiedlichen Rotoreigenschaften zum Einsatz kommt.

Auswahlfaktoren für Rotoren sind unter anderem die Viskosität des Mediums, das Durchmischungsvermögen oder die verwendete Technologie:

• Homogenisierung

• Entgasung

• Feststoff-Flüssigkeit-Verteilung

• Flüssig-Flüssig-Mischung


• Chemische Reaktionen

In dieser Untersuchung werden folgende Haupteinsatzziele für Gießöfen eingehend untersucht:


• Feststoffverteilung

• Homogenisierung

Die u. a. Rotoren wurden hinsichtlich ihrer Effektivität bei der Erfüllung dieser Aufgaben untersucht:

• Propeller-Rotoren

• Balken-Rührer (Rushton-Turbine)

• Foseco MTS FDR Pumprotor

• Foseco FDU TDR Pumprotor

Rührer können hinsichtlich ihrer Durchmischungsrichtung unterteilt werden:

• Axial-Rührer (Bewegung der Flüssigkeit in axialer Richtung parallel zum Schaft – Abbildung 3 und 4)

• Radial-Rührer (Bewegung der Flüssigkeit in Querrichtung vom Schaft weg – Abbildung 5 und 6)

Propeller-Rührer

Dieser Rührer besteht, wie eine Schiffsschraube, aus drei Schaufeln, welche die Flüssigkeiten parallel zum Schaft bewegen. Er wird zur Flüssig-Flüssig-Mischung, zum Homogenisieren und zur Wärmeübertragung genutzt.

Eine axiale Durchmischung mit Propeller-Rührern unterbindet die Bildung von Ablagerungen am Boden des Tanks und führt zu einer gleichmäßigen Suspension.

Abbildung 1. Montupet Gießerei in Ruse (BG)

Abbildung 2. Beispiele von Gussstücken aus Ruse (BG)

Abbildung 3: Axiale Bewegung Abbildung 4: Propeller-Rührer

Ausgabe 264

Balken-Rührer (Rushton-Turbine):

Dieser Rührer besteht aus einer runden Scheibe mit üblicherweise senkrecht stehenden Schaufeln an deren Ende. Er ist auch als Rushton-Turbine bekannt. Der Rührer liefert eine horizontale Bewegung, wobei eine kraftvolle Querbewegung zur Bildung von Emulsionen oder dem Entgasen von Metallschmelzen entsteht.

Die Querströmung des scheibenförmigen Rührers (Abbildung 6) führt zu einer Verteilung der Gasblasen (Abbildung 5).

Foseco Hochleistungs-Pumprotoren

Foseco Rotoren zeichnen sich durch ein innovatives Pumpdesign aus, wodurch eine fortschrittliche Funktionalität und exzellente Durchmischung der Schmelze erreicht wird. Durch die Pumpwirkung wird die Schmelze in die Rotorkammer eingesaugt (Abbildung 9). Dadurch wird insbesondere die unbehandelte Schmelze unterhalb des Rotors erfasst und das gesamte Volumen homogenisiert.

Der MTS FDR (Abbildung 7) und FDU TDR (Abbildung 8) sind Rotordesigns, welche die Weiterentwicklung einer erfolgreichen Serie von Pumprotoren darstellen.

WassermodellversucheFoseco hat unterschiedliche Rotordesigns in einem Ofenmodell untersucht, um Rückschlüsse auf die Erreichbarkeit einer konstanten Schmelzequalität in Gießöfen zu ziehen. Zur Bestimmung der Durchmischungsqualität wurden nichtpumpende Rotoren – Variationen des Balken-Rührers – mit Foseco Pumprotoren verglichen.

Zur Beurteilung für ein erfolgreiches Durchmischen sind zwei Bedingungen notwendig:

• Schnelles Homogenisieren hinsichtlich Temperatur und Zusammensetzung

• Signifikant kürzere Zeit zum Homogenisieren im Vergleich zur gesamten Behandlungszeit

In der Vergangenheit haben Versuche im Plexiglasbehälter große Unterschiede im Durchmischungsvermögen offenbart. Abbildung 10 zeigt die Verteilung eines roten Farbpigments vier Sekunden nach der Zugabe. Die Foseco Pumprotoren erzielen eine nahezu vollständige Verteilung des Pigments, während der nichtpumpende Rotor keine oder nur eine ungenügende Durchmischung erreicht.

Diese Versuche waren die Grundlage für eine weitere Serie von Untersuchungen, um verschiedene Rührcharakteristiken von Rotoren bei unterschiedlichen Versuchsparametern zu testen. Dafür kamen Rotormodelle im Verhältnis 1:3 zum Einsatz. Die Versuche wurden in einem extra dafür angefertigten Ofenmodell aus Plexiglas durchgeführt. Acht Thermoelemente Typ T waren, wie in Abbildung 11 illustriert, im Behälter verteilt, um den Temperaturverlauf nach Zugabe einer definierten Menge an heißem Wasser über 12 Minuten zu dokumentieren.

Vier Thermoelemente befanden sich in unmittelbarer Nähe des Behälterbodens, die verbleibenden vier Elemente waren im oberen Teil des Modells angeordnet. Nachdem sich stabile Temperaturverhältnisse eingestellt hatten, wurden bei jedem Versuch etwa 7 Liter Wasser mit etwa 70 °C eingefüllt. Die Temperaturaufzeichnung erfolgte im 10 ms Intervall mit einem 8-Kanal-Datenlogger USB TC 08 von Pico Technology. Abbildung 12 zeigt den Temperaturverlauf im Behälter ohne Einsatz von Rotoren. Nach 12 Minuten hat sich die Temperatur nicht vergleichmäßigt und zwischen den einzelnen Messstellen bleiben erhebliche Temperaturunterschiede.

Abbildung 5: Waagerechte Bewegung

Abbildung 6: Balken-Rührer (Rushton-Turbine)

Abbildung 7: MTS FDR Rotor

Abbildung 8: FDU TDR Rotor

Abbildung 9: Pumpwirkung der Foseco-Rotoren

Versuche mit nichtpumpenden Rotoren

Versuche mit Foseco Pumprotoren

Abbildung 10: Durchmischungsverhalten unterschiedlicher Rotordesigns im Plexiglasbehälter

Abbildung 11: Positionen der Thermoelemente im Plexiglasbehälter

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Abbildung 13 und 14 zeigen die Temperaturunterschiede nach 12 Minuten zwischen Einfüllkammer (T1, T2) und Schöpfkammer (T5, T6), jeweils für den Bodenbereich und die Wasseroberfläche im Ofenmodell. Die Punkte markieren Ergebnisse für unterschiedliche Rotortypen mit verschiedenen Geschwindigkeiten.

Die Foseco Pumprotoren zeigen geringere Temperaturdifferenzen als die verwendeten nichtpumpenden Rührer (Abbildung 16 und 18). Der Grund liegt in der Kombination von axialer und horizontaler Bewegung durch die Pumprotoren, wobei die Pumpkammer der FDR und TDR Rotoren die Durchmischung noch weiter unterstützten.

Es wurde bereits erwähnt, dass schwere Legierungsbestandteile oder intermetallische Verbindungen zum Boden des Ofens sinken und dort einen Bodensatz bilden. Zur Simulation der Verteilung und Durchmischung dieser Ablagerungen wurde roter Farbstoff in die Einfüllkammer des Ofenmodells gegeben und die Farbstoffverteilung über einen Zeitraum von 12 Minuten aufgezeichnet.

Abbildung 12: Ergebnisse nach Zugabe von heißem Wasser ohne Einsatz von Rotoren

Abbildung 13: Temperaturunterschiede nach 12 Minuten - Oberfläche

Abbildung 14: Temperaturunterschiede nach 12 Minuten - Bodenbereich

Abbildung 15: Rührleistung von nichtpumpenden Rotoren im Ofenmodell bei 450 1/min über einen Zeitraum von 12 Minuten

Abbildung 16: Temperaturverlauf im Ofenmodell mit nichtpumpenden Rotoren bei 450 1/min

Abbildung 17: Rührleistung von Foseco Pumprotoren im Ofenmodell bei 450 1/min über einen Zeitraum von 12 Minuten

Rushton Turbine

Rushton Turbine

Wie in den vorherigen Versuchen erfolgte der Vergleich von pumpenden mit nichtpumpenden Rotoren bei unterschiedlichen Drehzahlen. Sobald sich im Ofenmodell stabile Bedingungen ausgebildet hatten, wurden 5 ml Farbstoff zugegeben. Zur Aufzeichnung der Farbwolke kam eine Hochgeschwindigkeitskamera zum Einsatz.

Balken-Rührer (Rushton-Turbine):

Dieser Rührer besteht aus einer runden Scheibe mit üblicherweise senkrecht stehenden Schaufeln an deren Ende. Er ist auch als Rushton-Turbine bekannt. Der Rührer liefert eine horizontale Bewegung, wobei eine kraftvolle Querbewegung zur Bildung von Emulsionen oder dem Entgasen von Metallschmelzen entsteht.

Die Querströmung des scheibenförmigen Rührers (Abbildung 6) führt zu einer Verteilung der Gasblasen (Abbildung 5).

Foseco Hochleistungs-Pumprotoren

Foseco Rotoren zeichnen sich durch ein innovatives Pumpdesign aus, wodurch eine fortschrittliche Funktionalität und exzellente Durchmischung der Schmelze erreicht wird. Durch die Pumpwirkung wird die Schmelze in die Rotorkammer eingesaugt (Abbildung 9). Dadurch wird insbesondere die unbehandelte Schmelze unterhalb des Rotors erfasst und das gesamte Volumen homogenisiert.

Der MTS FDR (Abbildung 7) und FDU TDR (Abbildung 8) sind Rotordesigns, welche die Weiterentwicklung einer erfolgreichen Serie von Pumprotoren darstellen.

WassermodellversucheFoseco hat unterschiedliche Rotordesigns in einem Ofenmodell untersucht, um Rückschlüsse auf die Erreichbarkeit einer konstanten Schmelzequalität in Gießöfen zu ziehen. Zur Bestimmung der Durchmischungsqualität wurden nichtpumpende Rotoren – Variationen des Balken-Rührers – mit Foseco Pumprotoren verglichen.

Zur Beurteilung für ein erfolgreiches Durchmischen sind zwei Bedingungen notwendig:

• Schnelles Homogenisieren hinsichtlich Temperatur und Zusammensetzung

• Signifikant kürzere Zeit zum Homogenisieren im Vergleich zur gesamten Behandlungszeit

In der Vergangenheit haben Versuche im Plexiglasbehälter große Unterschiede im Durchmischungsvermögen offenbart. Abbildung 10 zeigt die Verteilung eines roten Farbpigments vier Sekunden nach der Zugabe. Die Foseco Pumprotoren erzielen eine nahezu vollständige Verteilung des Pigments, während der nichtpumpende Rotor keine oder nur eine ungenügende Durchmischung erreicht.

Diese Versuche waren die Grundlage für eine weitere Serie von Untersuchungen, um verschiedene Rührcharakteristiken von Rotoren bei unterschiedlichen Versuchsparametern zu testen. Dafür kamen Rotormodelle im Verhältnis 1:3 zum Einsatz. Die Versuche wurden in einem extra dafür angefertigten Ofenmodell aus Plexiglas durchgeführt. Acht Thermoelemente Typ T waren, wie in Abbildung 11 illustriert, im Behälter verteilt, um den Temperaturverlauf nach Zugabe einer definierten Menge an heißem Wasser über 12 Minuten zu dokumentieren.

Vier Thermoelemente befanden sich in unmittelbarer Nähe des Behälterbodens, die verbleibenden vier Elemente waren im oberen Teil des Modells angeordnet. Nachdem sich stabile Temperaturverhältnisse eingestellt hatten, wurden bei jedem Versuch etwa 7 Liter Wasser mit etwa 70 °C eingefüllt. Die Temperaturaufzeichnung erfolgte im 10 ms Intervall mit einem 8-Kanal-Datenlogger USB TC 08 von Pico Technology. Abbildung 12 zeigt den Temperaturverlauf im Behälter ohne Einsatz von Rotoren. Nach 12 Minuten hat sich die Temperatur nicht vergleichmäßigt und zwischen den einzelnen Messstellen bleiben erhebliche Temperaturunterschiede.

Abbildung 5: Waagerechte Bewegung

Abbildung 6: Balken-Rührer (Rushton-Turbine)

Abbildung 7: MTS FDR Rotor

Abbildung 8: FDU TDR Rotor

Abbildung 9: Pumpwirkung der Foseco-Rotoren

Versuche mit nichtpumpenden Rotoren

Versuche mit Foseco Pumprotoren

Abbildung 10: Durchmischungsverhalten unterschiedlicher Rotordesigns im Plexiglasbehälter

Abbildung 11: Positionen der Thermoelemente im Plexiglasbehälter

Untersuchungen zur Durchm

ischung von großen Gießöfen m

it unterschiedlichen Rührerdesigns

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Abbildung 13 und 14 zeigen die Temperaturunterschiede nach 12 Minuten zwischen Einfüllkammer (T1, T2) und Schöpfkammer (T5, T6), jeweils für den Bodenbereich und die Wasseroberfläche im Ofenmodell. Die Punkte markieren Ergebnisse für unterschiedliche Rotortypen mit verschiedenen Geschwindigkeiten.

Die Foseco Pumprotoren zeigen geringere Temperaturdifferenzen als die verwendeten nichtpumpenden Rührer (Abbildung 16 und 18). Der Grund liegt in der Kombination von axialer und horizontaler Bewegung durch die Pumprotoren, wobei die Pumpkammer der FDR und TDR Rotoren die Durchmischung noch weiter unterstützten.

Es wurde bereits erwähnt, dass schwere Legierungsbestandteile oder intermetallische Verbindungen zum Boden des Ofens sinken und dort einen Bodensatz bilden. Zur Simulation der Verteilung und Durchmischung dieser Ablagerungen wurde roter Farbstoff in die Einfüllkammer des Ofenmodells gegeben und die Farbstoffverteilung über einen Zeitraum von 12 Minuten aufgezeichnet.

Abbildung 12: Ergebnisse nach Zugabe von heißem Wasser ohne Einsatz von Rotoren

Abbildung 13: Temperaturunterschiede nach 12 Minuten - Oberfläche

Abbildung 14: Temperaturunterschiede nach 12 Minuten - Bodenbereich

Abbildung 15: Rührleistung von nichtpumpenden Rotoren im Ofenmodell bei 450 1/min über einen Zeitraum von 12 Minuten

Abbildung 16: Temperaturverlauf im Ofenmodell mit nichtpumpenden Rotoren bei 450 1/min

Abbildung 17: Rührleistung von Foseco Pumprotoren im Ofenmodell bei 450 1/min über einen Zeitraum von 12 Minuten

Rushton Turbine

Rushton Turbine

Wie in den vorherigen Versuchen erfolgte der Vergleich von pumpenden mit nichtpumpenden Rotoren bei unterschiedlichen Drehzahlen. Sobald sich im Ofenmodell stabile Bedingungen ausgebildet hatten, wurden 5 ml Farbstoff zugegeben. Zur Aufzeichnung der Farbwolke kam eine Hochgeschwindigkeitskamera zum Einsatz.

Schlussfolgerungen

Die Ergebnisse der Versuche haben gezeigt, dass die besten Resultate bei einer Rotorgeschwindigkeit von 450 1/min erzielt werden.

Beim Vergleich der Zeiten für eine komplette Durchmischung bei jeweils gleicher Rotorgeschwindigkeit ergeben sich die folgenden Schlussfolgerungen:

Nichtpumpende Rotoren erreichen nur ungenügende oder keine Durchmischung des Farbstoffs mit dem Wasser.

Foseco Pumprotoren sichern eine vollständige Vermischung von zugegebenem Farbstoff und Wasser über den gesamten Querschnitt des Ofenmodells, die Durchmischung erfolgt schneller und gleichmäßiger.

Simulationsbedingungen und Versuchsparameter

Plexiglasbehälter: Maßstäbliches Modell 1:3

Flüssigkeit: Wasser

Farbpigment: 5 ml, Allura rot (C18H14N2O8S2Na2)

Rotorgeschwindigkeit: 450 1/min.

Rotordesign: Propeller, Rushton-Turbine, FDR, TDR

Rotordurchmesser: Im Maßstab 1:3 zu den Standardrotoren

GießereiversucheEin mobiles FDU Entgasungsgerät Typ Mark 10 mit einem TDR 190 Rotor kam bei Montupet Ruse (BG) zum Einsatz. Die Überwachung der Schmelze erfolgte durch Thermoanalyse, insbesondere die Wirkung der Kornfeinung wurde berücksichtigt. Nach 90 Minuten Rühren im Ofen wurde eine Rekaleszenz von 0,5 K erzielt. Dieser Wert blieb über weitere drei Stunden zwischen 0,5 und 1,0 K stabil, was einer guten Kornfeinung entspricht. Messungen mit der Thermoanalyse ergaben zusätzlich einen sehr guten Kornfeinungsindex.

Außerdem wurde beobachtet, dass die Temperatur in der Gießkammer des Ofens um 5 K (von 735 auf 740 °C) anstieg, sobald der Rotor im Einsatz war. Die Leistung der Deckenheizung konnte reduziert werden, was zu einer unmittelbaren Energieeinsparung führte.

Zusammenfassung• Ausscheidungen und Bodensatzbildung sind ein Problem

bei großen Gieß- und Halteöfen.

• Pumprotoren wie der TDR Rotor sind in der Lage, Aluminium in Öfen mit etwa zwei Tonnen Fassungsvermögen hinreichend zu durchmischen.

• Eine effektive Durchmischung von Gieß- und Halteöfen stabilisiert die Kornfeinungswirkung über eine ausreichend lange Zeit.

• Ein effektives Rühren von großen Gieß- und Halteöfen führt zu einer besseren Temperaturverteilung innerhalb der Schmelze, sowohl in horizontaler als auch vertikaler Richtung, was zu Energieeinsparung führt. Eine Reduzierung der Oberflächentemperatur um 20 bis 30 Kelvin konnte in Versuchen beobachtet werden.

• Die reduzierte Oberflächentemperatur der Schmelze in der Heizkammer (unterhalb der Deckenheizelemente) reduziert Strontium-Abbrand und Oxidation; gleichzeitig ist die Gefahr der Korundbildung vermindert.

• Der Einsatz von FDR oder TDR Pumprotoren ist eine praktikable und effektive Methode zum Rühren in Gieß- und Halteöfen unter Produktionsbedingungen.

Referenzen• The Technology of Batch Degassing for Hydrogen

Removal from Aluminium Melts using different Rotor Designs - Foundry Practice 256

• Degassing efficiency of different rotor design over rotor life - Foundry Practice 259

• The XSR Rotor: A new development in FDU degassing technology - Foundry Practice 241

Abbildung 19: Zeit zur Erreichung einer homogenen Farbverteilung im Wasser

Abbildung 18: Temperaturverlauf im Ofenmodell mit Foseco Pumprotoren bei 450 1/min

Rushton Turbine

33 Ausgabe 264

Schlussfolgerungen

Die Ergebnisse der Versuche haben gezeigt, dass die besten Resultate bei einer Rotorgeschwindigkeit von 450 1/min erzielt werden.

Beim Vergleich der Zeiten für eine komplette Durchmischung bei jeweils gleicher Rotorgeschwindigkeit ergeben sich die folgenden Schlussfolgerungen:

Nichtpumpende Rotoren erreichen nur ungenügende oder keine Durchmischung des Farbstoffs mit dem Wasser.

Foseco Pumprotoren sichern eine vollständige Vermischung von zugegebenem Farbstoff und Wasser über den gesamten Querschnitt des Ofenmodells, die Durchmischung erfolgt schneller und gleichmäßiger.

Simulationsbedingungen und Versuchsparameter

Plexiglasbehälter: Maßstäbliches Modell 1:3

Flüssigkeit: Wasser

Farbpigment: 5 ml, Allura rot (C18H14N2O8S2Na2)

Rotorgeschwindigkeit: 450 1/min.

Rotordesign: Propeller, Rushton-Turbine, FDR, TDR

Rotordurchmesser: Im Maßstab 1:3 zu den Standardrotoren

GießereiversucheEin mobiles FDU Entgasungsgerät Typ Mark 10 mit einem TDR 190 Rotor kam bei Montupet Ruse (BG) zum Einsatz. Die Überwachung der Schmelze erfolgte durch Thermoanalyse, insbesondere die Wirkung der Kornfeinung wurde berücksichtigt. Nach 90 Minuten Rühren im Ofen wurde eine Rekaleszenz von 0,5 K erzielt. Dieser Wert blieb über weitere drei Stunden zwischen 0,5 und 1,0 K stabil, was einer guten Kornfeinung entspricht. Messungen mit der Thermoanalyse ergaben zusätzlich einen sehr guten Kornfeinungsindex.

Außerdem wurde beobachtet, dass die Temperatur in der Gießkammer des Ofens um 5 K (von 735 auf 740 °C) anstieg, sobald der Rotor im Einsatz war. Die Leistung der Deckenheizung konnte reduziert werden, was zu einer unmittelbaren Energieeinsparung führte.

Zusammenfassung• Ausscheidungen und Bodensatzbildung sind ein Problem

bei großen Gieß- und Halteöfen.

• Pumprotoren wie der TDR Rotor sind in der Lage, Aluminium in Öfen mit etwa zwei Tonnen Fassungsvermögen hinreichend zu durchmischen.

• Eine effektive Durchmischung von Gieß- und Halteöfen stabilisiert die Kornfeinungswirkung über eine ausreichend lange Zeit.

• Ein effektives Rühren von großen Gieß- und Halteöfen führt zu einer besseren Temperaturverteilung innerhalb der Schmelze, sowohl in horizontaler als auch vertikaler Richtung, was zu Energieeinsparung führt. Eine Reduzierung der Oberflächentemperatur um 20 bis 30 Kelvin konnte in Versuchen beobachtet werden.

• Die reduzierte Oberflächentemperatur der Schmelze in der Heizkammer (unterhalb der Deckenheizelemente) reduziert Strontium-Abbrand und Oxidation; gleichzeitig ist die Gefahr der Korundbildung vermindert.

• Der Einsatz von FDR oder TDR Pumprotoren ist eine praktikable und effektive Methode zum Rühren in Gieß- und Halteöfen unter Produktionsbedingungen.

Referenzen• The Technology of Batch Degassing for Hydrogen

Removal from Aluminium Melts using different Rotor Designs - Foundry Practice 256

• Degassing efficiency of different rotor design over rotor life - Foundry Practice 259

• The XSR Rotor: A new development in FDU degassing technology - Foundry Practice 241

Abbildung 19: Zeit zur Erreichung einer homogenen Farbverteilung im Wasser

Abbildung 18: Temperaturverlauf im Ofenmodell mit Foseco Pumprotoren bei 450 1/min

Rushton Turbine

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Foseco Foundry DivisionVesuvius GmbH

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ISSN 0266 9994

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