Automatisierte Methanolregelung mit Liquid Flow Controllern: Warum Stickstoff-Methanol-Prozesse zur Wärmebehandlung von Stahl transparenter und

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1 : Warum Stickstoff-Methanol-Prozesse zur Wärmebehandlung von Stahl transparenter und wirtschaftlicher werden White Paper Juni 2010

2 Automatisierte Methanolregelung mit Liquid Flow Controllern: Warum Stickstoff-Methanol-Prozesse zur Wärmebehandlung von Stahl transparenter und wirtschaftlicher werden Thomas Sattler, Produktmanager Mass Flow Controller, Bürkert Fluid Control Systems Zahnräder sind in Getrieben häufig extremen Belastungen ausgesetzt. Um einem vorzeitigen Verschleiß entgegen zu wirken, werden aus Stahl gefertigte Getriebezahnräder in aller Regel randschichtgehärtet. Dies geschieht vor allem durch Gasaufkohlen und anschließendem Abschrecken (Einsatzhärten). Diese Prozesse der Einsatzhärtung erhöhen den Kohlenstoffanteil im Randbereich der Werkstücke und verändern das Randgefüge des Stahls. In der Stiftung Institut für Werkstofftechnik (IWT) in Bremen beschäftigt man sich schon lange intensiv mit den unterschiedlichen Verfahren der Wärmebehandlung zum Härten von Stahl. Als Alternative zum Gasaufkohlen mit Endogas gewinnt dabei der Stickstoff-Methanol-Prozess, bei dem flüssiges Methanol direkt in den Ofen eingebracht wird, zunehmend an Bedeutung. Liquid Flow Controller (LFC) von Bürkert Fluid Control Systems sorgen beim IWT für kontrollierte und lückenlos dokumentierte Prozessabläufe. Beim Gasaufkohlen wird die Randschicht eines Werkstücks mit Hilfe von C- haltigen Gasen bei einer typischen Prozesstemperatur von C gezielt mit Kohlenstoff angereichert. Gehärtet werden in der Regel Baustähle mit verhältnismäßig niedrigem C-Gehalt (meist unter 0,25 %), die nach der Wärmebehandlung eine harte, verschleißfeste Oberflächenschicht und einen zähen Kern aufweisen. Durch das Eindiffundieren zusätzlichen Kohlenstoffs wird das 2

3 Gittergefüge in der Randzone verändert und der Austenit in wesentlich härteren Martensit umgewandelt. Abhängig von der Größe des Bauteils dauern die Prozesse meist zwischen einer und 24 Stunden. Getriebezahnräder für Windkraftanlagen, die ein Gewicht von mehreren Tonnen haben können und extremen Belastungen ausgesetzt sind, werden z. B. zwischen 12 und 24 Stunden lang aufgekohlt, um große Einsatzhärtetiefen (Eht) von mehreren Millimetern zu erreichen. Bei kleinsten Ritzeln, beispielsweise für Kraftfahrzeuggetriebe, reichen dagegen Einsatzhärtetiefen von 0,3 mm, für die eine deutlich kürzere Prozessdauer ausreichend ist. Die Eht ist in erster Näherung proportional der Wurzel aus der Aufkohldauer. Der Verlauf der Aufkohlungskurve wird von der Kohlenstoffaktivität bzw. dem Kohlenstoffpegel des Aufkohlungsmittels bestimmt. In der Praxis wird der C-Pegel meist auf 0,8 Massenprozent im Randbereich geregelt und wie die Temperatur während des gesamten Prozesses konstant gehalten. Eingestellt wird der C-Pegel über die Partialdrücke für CO und O 2. Der Partialdruck für CO wird über entsprechende Messtechnik bestimmt und liegt typischerweise bei rund 20 %. Der Partialdruck des Sauerstoffs wird über eine Sauerstoffsonde gemessen und zur C-Pegel Berechnung verwendet. Über die Zufettung mit Propan wird so im geschlossenen Regelkreis der C-Pegel geregelt. Der Dauerbrenner: Endogas für die Ofenatmosphäre Als Kohlenstoffspender im Trägergas für die Ofenatmosphäre beim Gasaufkohlen wird meist entweder Endogas oder ein Stickstoff-Methanol-Gemisch eingesetzt, da sich diese beiden Prozesse verfahrenstechnisch am besten regeln lassen. Propan (C3H8) und Luft ermöglichen, idealerweise geregelt mit Mass Flow Controllern, eine C-Pegelregelung durch Anreicherung bzw. Gegensteuerung des Kohlenstoffgehalts im Gasgemisch. Das Endogas (20 25 % CO-Anteil sowie H 2 -, CO 2 und N 2 -Anteile) wird in einem Generator bei ca C als endotherme Reaktion auf katalytischem Weg aus Erdgas, Propan oder Methanol erzeugt. Dieses Verfahren ist mit hohen Anlagen- und Investitionskosten für den Endogasgenerator verbunden und zudem nicht einfach zu betreiben: Da sich die vom Generator erzeugte Gasmenge nicht immer problemlos an den Bedarf anpassen lässt, muss die Gasabnahme durch den Ofen entsprechend angepasst sein. Überschüssiges Endogas wird direkt am Generator nutzlos abgefackelt. Da der Ofen des Generators während der gesamten Wärmebehandlung brennt, erhöhen sich die Betriebskosten für den Gesamtprozess. Darüber hinaus besteht die Gefahr, dass bei der Endogasherstellung Ruß ausfällt. Dieser wird bei kurzen Rohrleitungen zwischen Generator und Ofen, soweit er nicht schon im Katalysator ausfällt, mit der Gasströmung in den Ofen gespült. Bei geringen Strömungsgeschwindigkeiten, langen Rohrleitungen und vielen Stell- und Regelorganen im Rohrsystem wird der Einsatz von Russfiltern empfohlen. 3

4 Abb. 1: Prozessofen zur Wärmebehandlung mit unterschiedlichen Prozessen an der Stiftung Institut für Werkstofftechnik (IWT) in Bremen Die flexible Alternative: der Stickstoff-Methanol-Prozess Die Verwendung von Stickstoff-Methanol-Gemischen ermöglicht die synthetische Erzeugung von kohlenstoffhaltigem Gas für die Wärmebehandlung direkt im Ofen. Bei diesem Verfahren wird das Methanol (CH 3 OH) bei Ofentemperaturen von ca. 930 C thermisch im Ofen in Wasserstoff und Kohlenmonoxid aufgespalten ein Vorspalter ist nicht erforderlich. Das flüssige Methanol wird über eine Lanze direkt in den Ofen eingespeist. An deren Düsen wird das Methanol vom flüssigen in den gasförmigen Zustand überführt. Dies sollte allerdings möglichst schnell erfolgen, da sonst durch eine Tröpfchenbildung an der Lanze Ruß im Ofen entstehen kann. Darüber hinaus muss beachtet werden, dass das Methanol aufgrund seines niedrigen Siedepunkts von 65 C schon in der Rohrleitung gasförmig werden kann. Dies führt zu einem inhomogenen, zweiphasigen Gemisch, was ein Pulsen in der Leitung bewirken kann. Der gasförmige Anteil des Methanols ist chemisch reaktiver und nicht unkritisch bei Kupferleitungen. Nicht selten werden Partikel herausgelöst. Im Unterschied zum Endogas lässt sich das preiswerte Methanol gut bevorraten und kann je nach Prozessbedarf Abb. 2: Flow-Controller-Installation zur Regelung der Prozessgase und -flüssigkeiten exakt dosiert in den Ofen eingespeist werden. Da die Betriebs- und Investitionskosten für einen Endogasgenerator entfallen, präsentiert sich der Stickstoff-Methanol- 4

5 Prozess in verschiedenen Anwendungsbereichen als interessante und besonders unter Berücksichtigung der Energieeffizienz überzeugende Alternative zum bewährten und technisch ausgereiften Einsatz von Endogas. Liquid Flow Controller für präzise Steuerung der Methanolzufuhr In der Versuchsanlage des Instituts für Werkstofftechnik in Bremen übernehmen Liquid Flow Controller (LFC) von Bürkert (siehe Abb. 1-3) die Regelung der Methanolzufuhr, die abhängig von der Ofengröße hier zwischen 3-15 l/h beträgt. Sie sorgt für eine automatische Methanolregulierung, die auf Störgrößen wie Druck entweder als schwankender Pumpendruck in der Ringleitung vor dem LFC oder als Pulsen in der Leitung nach Abb. 3: Liquid Flow Controller von Bürkert für die integrierte Durchflussmessung und -regelung von Methanol oder VE-Wasser dem LFC reagiert und die gewünschte Methanoldosierung durch Nachregeln immer konstant hält. Die hochpräzise Dosierung des Methanols hält die Betriebskosten auf niedrigstem Niveau und gewährleistet einen optimalen Wirkungsgrad. Im Vergleich zu Reglern, die nach dem Coriolisprinzip messen, überzeugen die LFCs mit Differenzdruckmessung zudem durch erheblich niedrigere Anschaffungskosten. Da die Messung keine bewegten Teile wie z. B. Flügelräder benötigt, sinkt das Verschleißrisiko deutlich. Besonders interessant sind für die Wissenschaftler des Instituts die deutlich verbesserten Prozesskenntnisse, die durch die Erfassung des Methanolverbrauchs und des zeitlichen Durchflussverlaufs gewonnen werden. Der gesamte Prozess lässt sich so lückenlos dokumentieren, betont Dr.-Ing. Heinrich Klümper-Westkamp vom Bereich Wärmebehandlung des IWT. Innerhalb einer Versuchsreihe können wir die Auswirkungen unterschiedlicher Prozessdaten auf die Behandlung eines Bauteils analysieren und verbesserte reproduzierbare Prozesse entwickeln. Im Anlagenbetrieb arbeiten die LFCs zuverlässig und problemlos, bestätigt auch Ingo Bunjes, der Technische Leiter des Bereichs Wärmebehandlung des Bremer Instituts. In der Praxis sind beim Einsatz eines Liquid Flow Controllers für die Methanolregelung dennoch einige Aspekte zu beachten. So sollte der 5

6 Pumpendruck im Rohrsystem bei mindestens 1,5 bis 2 barü liegen. Der LFC benötigt für eine Messung mit guter Auflösung ca. 0,4 bar. Betriebsdrücke über 2 barü sind ebenfalls möglich, wobei Methanolversorgungsanlagen in der Praxis der Härterei jedoch kaum 2 barü übersteigen. Das Regelventil sollte für eine gute Funktion ebenfalls mindestens den Druckabfall haben, den der Sensor benötigt. Diese Druckabfälle sind Maximalwerte und gelten nicht für jeden Betriebszustand, betont Thomas Sattler, Applikationsingenieur bei Bürkert Fluid Control Systems. Generell gilt aber, dass ein Regelorgan den Durchfluss nur dann wirklich effektiv beeinflussen kann, wenn es die Regelstrecke dominiert. Bei Druckschwankungen durch Pulsation in der Methanolleitung kann die Regeldynamik des LFC mit Hilfe einer Kommunikationssoftware angepasst werden. Bei Verwendung von Kupferleitungen sollten darüber hinaus Methanolfilter eingebaut werden, da die Ventilnennweite des LFC-Regelventils meist nur 0,4 bis 0,8 mm beträgt. Der LFC ist zwar am Eingang mit einem austauschbaren Maschenfilter von 20 µm Maschenweite ausgestattet, aber ein zweistufiges Filtern ist trotzdem sinnvoll, so Sattler. Ein Indiz für einen verschmutzten Filter kann das Aufleuchten der blauen LED an der Frontseite des LFC sein. Die LED leuchtet immer dann auf, wenn das Gerät bei voll geöffnetem Ventil den Soll-Durchflusswert nicht erreichen kann. Unsaubere oder fetthaltige Leitungen können außerdem zu einem Aufquellen der bei Methanol verwendeten EPDM-Dichtungen führen. Im Falle einer Sitzdichtung kann dies dazu führen, dass der LFC keinen Durchfluss mehr bringt. Verbrannte Fette können die Leitungen sogar komplett verstopfen. Messprinzip des Liquid Flow Controllers Die Durchflussmessung des LFC erfolgt nach dem Differenzdruckverfahren ohne bewegliche Teile im Medium. Eine Messblende im Hauptkanal erzeugt bei Durchfluss einen Druckabfall von p 1 nach p 2 (vgl. Abb.3), der von einem Differenzdrucksensor erfasst wird. Eine Einschnürung des Strömungsquerschnittes verursacht eine Steigerung der Fließgeschwindigkeit und eine Abnahme des statischen Druckes. Der Druckabfall ist der Wirkdruck p. Er ist dem Abb. 4: Messblende zur Wirkdruckmessung und Umrechnung auf Volumendurchfluss 6

7 Quadrat des Volumendurchflusses proportional: p ~ qv2. Der vom Sensor gemessene Durchflusswert wird unabhängig vom Regelzustand analog über den Normsignalausgang oder digital über die Feldbusschnittstelle ausgegeben. Für die applikationsspezifische Auslegung der Volumenstrommessung sind dabei neben der Dichte und der Viskosität bei Mediumstemperatur der Nenndurchfluss, der Eingangsdruck sowie der zur Verfügung stehende Differenzdruck die entscheidenden Parameter. Bestimmung des Stellglieds Als Stellglieder dienen in den Liquid Flow Controllern direkt wirkende Hubanker-Proportionalventile mit elektromagnetischer Betätigung. Die Nennweiten der Ventile ergeben sich aus dem geforderten Nenndurchfluss q nenn, den Druckverhältnissen in der Anwendung sowie der Dichte und Temperatur des Methanols. Anhand dieser Daten wählen die Experten bei Bürkert ein Proportionalventil aus, dessen Durchflussbeiwert k Vs entsprechend der Durchflussgleichungen bei den spezifizierten Druckverhältnissen einen maximalen Durchfluss ermöglicht, der mindestens dem geforderten Nenndurchfluss entspricht: q max = p ρ H20 ρ k Vs > q nenn k Vs : Durchflussbeiwert bei voll geöffnetem Stellglied in m³/h, wird gemessen mit Wasser bei 1 bar Druckdifferenz über dem LFC und einer Mediumstemperatur von 20 C. ρ H2O : Dichte des Wassers in kg/m 3 ρ: Dichte des Betriebsmediums in kg/m 3 (bzgl. derselben Temperatur wie die Dichte des Wassers) p 1, p 2 : Absolutdrücke in [bar] vor und nach dem Ventil p 1 ergibt sich aus dem Eingangsdruck des LFCs abzüglich einer Druckdifferenz von 0,4 bar, die für den Sensor vor dem Ventil benötigt wird Δp = p 1 - p 2 q max : Maximaldurchfluss des Ventils in [mn³/h] q nenn : Nenndurchfluss des Ventils in [m³/h], der bei 100% Sollwert ausgeregelt wird Abb. 5: Durchflusscharakteristiken aufgrund unterschiedlicher Ventilauslegungen 7

8 Auf der Basis des k Vs -Wertes kann das Ventil des LFCs bestimmt werden. Die im Folgenden definierte Ventilautorität Ψ sollte im Interesse einer akzeptablen Betriebskennlinie der Strecke nicht unter 0,3 liegen (vgl. Abb. 5). Die mittlere, hellblaue Charakteristik entspricht in etwa einer Ventilautorität von 0,5. ( p) Ψ = V0 ( p) = 0 2 k Vs 2 2 [k Va + k Vs ] Dabei ist kva der kv-wert der Regelstrecke ohne eingebauten LFC, (Δp) V0 der Druckabfall über das voll geöffnete Ventil und (Δp) 0 der Druckabfall über die gesamte Strecke. Bei einer zu kleinen Ventilautorität können die Auflösung und die Regelgüte beeinträchtigt werden. Die blaue Kurve in Abb. 5 stellt einen solchen Fall dar. Nach ca. 40 % Ventilhub ist das Volumenstromvermögen des Ventils annähernd erreicht, weiterer Hub wirkt sich kaum mehr auf den Volumenstrom aus. Ist die Ventilautorität zu groß (graue Kurve), wird das Ventil nicht besonders gut ausgenutzt bzw. kann der geforderte Maximaldurchfluss nicht erreicht werden Sollte der Betriebsdruck vom Kalibrierdruck abweichen oder die Kennlinie des Stellventils infolge einer niedrigen Ventilautorität stark beeinflusst werden, kann der Controller durch eine integrierte Autotune-Funktion neu abgestimmt werden. Durch die Integration von Sensor, Regelelektronik und Stellglied in einem kompakten Gerät bietet sich der Liquid Flow Controller von Bürkert als besonders flexible und leistungsfähige Lösung zur Methanolregelung in Stickstoff- Methanol-Prozessen zur Wärmebehandlung von Metallen an. Die Vorteile, die das direkte Einbringen von Methanol in den Ofen mit sich bringt, werden dabei mit deutlichen Zusatznutzen erweitert: Die Methanoldosierung erfolgt mit höchster Präzision und wird durch die Erfassung der Verbrauchs- und Durchflusswerte durch den LFC transparent, reproduzierbar und kann lückenlos dokumentiert werden. 8

9 Kontakt Können wir auch Ihnen helfen, Stickstoff-Methanol-Prozesse zur Wärmebehandlung von Stahl transparenter und wirtschaftlicher werden zu lassen indem man eine automatisierte Methanolregelung mit Liquid Flow Controllern nutzt oder haben Sie weitere Fragen? Dann kontaktieren Sie uns: Thomas Sattler Produktmanager Mass Flow Controller Bürkert Fluid Control Systems Bürkert Werke GmbH Am Flugplatz Egelsbach Telefon Telefax Website: 9