Veröffentlichung. Zur Erfüllung höchster Ansprüche : Induktiv-beheizte Einbolzenöfen der Bauart OTTO JUNKER. Dr.-Ing.

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1 Veröffentlichung Zur Erfüllung höchster Ansprüche : Induktiv-beheizte Einbolzenöfen der Bauart OTTO JUNKER Dr.-Ing. Günter Valder Geschäftsbereichsleiter Technik Thermoprozessanlagen Otto Junker GmbH, Simmerath Otto Junker GmbH Jägerhausstr. 22 Tel.: Fax: Internet:

2 2 / 10 Zur Erfüllung höchster Ansprüche : Induktiv-beheizte Einbolzenöfen der Bauart OTTO JUNKER Die ist der einzige Ausrüster, der zum Anwärmen von Strangpressbolzen sowohl den brennstoffbeheizten Ofen (GBE/KombiGAS) als auch den induktiv beheizten Anwärmofen (IBE) anbietet. In diesem Beitrag werden das Lieferprogramm und die Vorzüge des induktiv beheizten Anwärmofens vorgestellt. Ergänzt wird dies durch die Darstellung der Transporteinrichtungen von der Bolzenbzw. Strangaufgabe bis zur Übergabe des Bolzens an die Strangpresse. Berechnungen zu den Betriebskosten und den CO2 Emissionen bezogen auf die verschiedenen Werkstoffe und wichtige europäische Länder schließen den Beitrag ab. Induktiv beheizter Anwärmofen (IBE) Der Teil, in dem die Beheizung der Strangpressbolzen erfolgt, wird bei diesem Anlagentyp aus einer wassergekühlten, mehrlagig gewickelten Spule, gebildet. Diese Spule wird zur Erzielung möglichst hoher Wirkungsgrade der Bolzengeometrie möglichst eng angepasst, Abbildung 1. Die Energie wird übertragen, indem das durch die Spule erzeugte magnetische Feld im Aluminiumbolzen einen Strom induziert und diesen erwärmt. Im Einbolzenofen lässt sich eine elektrische Leistung von bis zu 900 kw/m 2 Nutzgutoberfläche unabhängig vom Zustand der Bolzenoberfläche (Gusshaut / abgedreht) übertragen. Abbildung 1 Seitenansicht einer ausgeführten Anlage zum Taperheating mit vier einzeln regelbaren Teilspulen, jeweils mit eigener Temperaturmessung von oben.

3 3 / 10 Hieraus leiten sich für das Erwärmungsaggregat, die Spule, hohe Aufheizgeschwindigkeiten und ein vergleichsweise geringer Platzbedarf ab, allerdings ergibt sich für den zur Bereitstellung der elektrischen Leistung benötigten Anlagenteil und die notwendige Kühleinrichtung zusätzlicher Platzbedarf, der bei der Planung zu berücksichtigen ist. Die Güte der Temperaturführung wird durch die Anzahl der Regelzonen bestimmt, OTTO JUNKER gewährleistet eine reproduzierbare Erwärmung auf +/- 5K, Abbildung 2. Die Temperaturmessung erfolgt dabei auf 12-Uhr-Position, wodurch verhindert wird, dass sich der Bolzen beim Aufsetzen der Thermoelemente bewegt und sichergestellt ist, dass ein definierter Kontakt entsteht. Dem Verschleiß der Thermoelementspitzen ist aus Sicht des Instandhalters regelmäßig Rechnung zu tragen. OTTO JUNKER hat diese Intervalle durch das sogenannte Blind Heating signifikant verlängert: Die Thermoelemente werden nur in den kritischen Phasen des Anwärmens, nämlich zum Beginn und zum Ende, aufgesetzt. Alle weiteren Informationen werden aus einem an den IGBT-Umrichter gekoppelten mathematischen Modell errechnet. Mantelthermoelementmessung IBE D Bolzen = 380mm, L Bolzen = 1500mm, Sollwert Ofen 530 C, Durchsatz 7.35 Bolzen / h Bolzentemperatur [ C] Kern TSP 1 Mantel TSP 1 Kern TSP 2 Mantel TSP 2 Kern TSP 3 Mantel TSP 3 Kern TSP 4 Mantel TSP 4 Kern TSP 5 Mantel TSP 5 Kern TSP 6 Mantel TSP 6 Sollwert Ofen Abbildung 2: Leistungsgeregelte Erwärmung eines Aluminiumbolzens auf 530 C ± 5K bei einer maximalen Übertemperatur von +20K. Zeit [s]

4 4 / 10 Dadurch dass immer nur einzelne Bolzen erwärmt werden und die bereits erwähnte hohe Leistungsdichte auf kurze Erwärmungszeiten führt, weist die IBE gegenüber allen anderen bekannten Erwärmungsöfen die höchste Flexibilität auf. Der Umstand, dass das System praktisch keine Speicherwärme enthält, erlaubt jederzeit Temperaturwechsel in beliebige Richtungen, so dass die kleinste Auftragslosgröße 1 aus Sicht des Anwärmens beträgt. Ein großer Vorteil der IBE ist weiterhin die Möglichkeit, jedem Bolzen ein axiales Temperaturprofil, den so genannten Taper aufzuprägen, was die IBE Bauart OTTO JUNKER ebenfalls mit einer Genauigkeit von +/-5K reproduzierbar leistet, Abbildung 3. Temperatur [ C] Kontrolle Messstation IBE D Bolzen = 380mm, L Bolzen = 1500mm, Sollwert Messstation C Durchsatz 7.80 Bolzen / h Spulenlänge [mm] Sollwert Messstation [ C] max. Toleranz [ C] min. Toleranz [ C] Block 1 Block 2 Block 3 Block 4 Block 5 Block 6 Abbildung 3: Ergebnis der vor der Aluminium-Strangpresse durchgeführten Kontrollmessung eines auf linear 50 K/m gesetzten Tapers Das Taperheating wird vor allem beim direkten Strangpressen von Aluminium eingesetzt: Beim direkten Strangpressen wirken an der den Bolzen umschließenden Rezipientenwand Reibungskräfte. Die zur Überwindung dieser Kräfte erforderliche Reibarbeit wird vollständig in Wärme umgewandelt und zum größten Teil dem Bolzen zugeführt. Infolgedessen erhöhen sich bei konstanter Pressgeschwindigkeit die Temperatur des Bolzens und damit auch die Temperatur des stranggepressten Halbzeuges mit fortschreitendem Pressvorgang.

5 5 / 10 Weil dessen Maßhaltigkeit, die Oberflächengüte und die Gefügeeigenschaften wesentlich von der Temperatur bestimmt werden, ist es das Ziel, das stranggepresste Halbzeug auf konstanter Temperatur zu halten. Damit dieses sichergestellt ist, muss entweder die Pressgeschwindigkeit und damit der Durchsatz kontinuierlich vermindert werden oder aber es wird sichergestellt, dass der Bolzen bereits ein entgegen gesetztes Temperaturprofil den Taper aufweist. Möglich sind Werte von bis zu 100 K / m Bolzenlänge, Stand der Technik ist es, den erforderlichen Taper mittels mathematischer Modelle, die in der Strangpresse integriert sind, vorauszuberechnen und von Bolzen zu Bolzen aufgrund gemessener Werte neu vorzugeben. Hieraus ergibt sich mitunter der Bedarf nicht-linearer Taper, die ebenfalls in einem Induktionsofen erzeugt werden können. Neben dem beschriebenen Taperheating wurde - vor allem auf dem nordamerikanischen Markt- das Taperquenching eingeführt: Hierbei wird der Bolzen zunächst in einem brennstoffbeheizten Anwärmofen auf eine axial gleichmäßig hohe Temperatur erwärmt und dann in einer Kühleinrichtung gezielt so abgekühlt, dass ein axiales Temperaturgefälle entsteht. Abgesehen davon, dass diese Methode die Genauigkeit eines von der IBE aufgeprägten Tapers nicht erreicht, ist hiermit ein unnötiger Energieeinsatz verbunden, schließlich wird zuvor eingebrachte Energie sofort anschließend gezielt weggekühlt. Auch der Vorteil, dass die Pressgeschwindigkeit gesteigert werden kann, wenn Bolzen statt auf 480 C zunächst auf Lösungsglühtemperatur ( C) erwärmt un d dann abgekühlt werden, rechnet sich nicht gegen den zusätzlichen Energiebedarf. Wohl auch aus diesen beiden Gründen hat sich das Taperquenching in Europa nicht durchsetzen können. Der mit der Methode der induktiven Erwärmung erzielbare energetische Wirkungsgrad hängt von den magnetischen und elektrischen Eigenschaften des Einsatzgutes ab. Die physikalischen Zusammenhänge sind für den hier gegebenen Kontext zu komplex. Als Faustregel des Ingenieurs kann angenommen werden, dass der energetische Wirkungsgrad eines induktiv beheizten Anwärmofens bei konstanter Frequenz umso besser ist, je niedriger die Wärmeleitfähigkeit des Einsatzgutes ist, Tabelle 1. Stand der Technik ist der Einsatz von leistungs- und frequenzverstellbaren IGBT-Umrichtern (Insulated-Gate Bipolar Transistor). Hier hat OTTO JUNKER durch Nutzung der Synergieeffekte aus dem Bau von induktiv beheizten Tiegelschmelzöfen eine eigene Entwicklung in Betrieb, die seit 2004 in mehr als 100 Installationen erprobt ist. Genau wie der Induktionsofen wird die Umrichterschaltkabine mit IGBT-Technik ohne Ausnahme am Standort Lammersdorf gebaut und vor der Auslieferung zusammen mit dem Induktionsofen getestet und eingestellt, so dass sich der Inbetriebnahmeaufwand beim Kunden reduziert.

6 6 / 10 Lieferprogramm OTTO JUNKER Neben den Anwärmöfen liefert OTTO JUNKER natürlich auch die optimal auf die örtlichen Verhältnisse angepassten Transporteinrichtungen von der Bolzen- oder Strangaufgabe bis zur Übergabe des Bolzens an die Strangpresse. Im Basis-Lieferumfang ist immer eine Materialverfolgung enthalten, so dass sämtliche Produktionsdaten (Soll / Ist) dokumentiert und archiviert werden können und die Anforderungen an ein modernes Qualitätsmanagement erfüllt sind. Besonders hervorzuheben sind mehrere Einrichtungen, die in jüngster Zeit verstärkt nachgefragt und geliefert werden: Insbesondere bei der Verarbeitung von Aluminiumsträngen besteht immer wieder die Herausforderung, den beim Sägen oder Scheren entstehenden Schrottanteil so gering als möglich zu halten. Durch Kombination einer Strangschweißmaschine mit einer Kaltsäge ist es möglich, die Entstehung von Schrott bis auf die Sägespäne völlig zu vermeiden. Vor dem Schweißen werden die Enden der Stränge bündig aufeinander gefahren und geklemmt, so dass möglichst kein Luftspalt verbleibt und kein radialer Versatz entsteht. Auf diese Weise werden Lufteinschlüsse soweit als möglich vermieden, Abbildung 4. Es besteht die Möglichkeit, auf Kundenwunsch Probeschweißungen durchzuführen, so dass Probepressungen vor einer Investitionsentscheidung erfolgen und bewertet werden können. Abbildung 4: Beispiel einer ausgeführten Strangschweißmaschine

7 7 / 10 Das Narrow-Cut -Design der OTTO JUNKER-Doppelblatt-Kaltsäge trägt dazu bei, den Anteil der geringwertigen Späne deutlich zu reduzieren: Mit ungefähr 3-4mm Sägeblattstärke fällt der Schnitt gegenüber konventionellen Einblattsägen sehr schmal aus. Die beiden Sägeblätter sind dabei auf einem gemeinsamen Rahmen befestigt und können einzeln justiert werden, so dass entlang der Sägefläche keine unerwünschten Absätze entstehen, Abbildung 5. Abbildung 5: Beispiel einer ausgeführten Narrow-Cut -Kaltsäge Die an die Säge angelieferten Stränge werden dabei im Idealfall einem Vertikalmagazin, Abbildung 6, entnommen: Hier können im Vergleich zu horizontalen Magazinen deutlich größere Mengen sortenrein zwischengelagert werden. Natürlich ist es auch möglich, Stränge, die bereits für die Produktion entnommen wurden, z.b. im Falle eines Auftragsabbruches wieder einzulagern und zu einem späteren Zeitpunkt wieder zu verwenden. Die erforderliche Software wird von eigenen Ingenieuren entwickelt und in Betrieb gesetzt.

8 8 / 10 Abbildung 6: Beispiel eines ausgeführten Vertikalmagazins Betriebskosten und Emissionen Aus Sicht des Betreibers besteht der einzige Nachteil des Induktionsofens darin, dass der gegenüber der Verwendung von fossiler Energie höhere Betriebskosten in der Amortisationsrechnung zur berücksichtigen sind. Der Nachteil der höheren CO 2 -Emission ist eher von nationaler Bedeutung, weil diesbezüglich der volkswirtschaftlich jeweils anzusetzende Strommix den Ausschlag gibt. In Bezug auf den Standort Deutschland wird abzuwarten sein, wie sich die spezifische CO 2 -Emission vor dem Hintergrund des jüngst beschlossenen Atomausstiegs und der Hinwendung zu regenerativen Energien in den nächsten Jahren entwickelt, Tabelle 2. Für die Strompreise scheint die Richtung schon vorgegeben: Regenerative Energie ist derzeit im Vergleich zur Kernenergie mit höheren Kosten verbunden und für die fossile Energie ist alleine aufgrund der begrenzten Ressourcen langfristig keine Entspannung an der Preisfront zu erwarten. Dieser Umstand lässt es schwieriger werden, die Verwendung von elektrischer Energie statt fossiler Energie beim Strangpressen wirtschaftlich zu rechtfertigen, zumal sich gegenüber ähnlich lohnintensiver Länder wie Frankreich und Schweden bereits heute signifikante Nachteile betreffend der Betriebskosten zeigen, Tabelle 3.

9 9 / 10 Aus diesem Grund ist es empfehlenswert, sich bei der Amortisationsrechnung nicht nur auf den Energiebedarf des Induktionsofens pro erwärmter Tonne Aluminium zu beschränken, sondern den Energiebedarf auf die hinter der Strangpresse tatsächlich ausgebrachte Menge zu beziehen und den Einsatz des Induktionsofens mit erhöhter Ausbringung zu begründen. Als wichtigste Argumente sind aus Sicht des Anwärmofens anzuführen: weniger Qualitätsmängel durch exakte und reproduzierbare Temperatur, d.h. weniger Ausschuss es sind stets nur wenig Bolzen im System, d.h. dass z.b. bei Auftragsabbruch im Gegensatz zum Mehrbolzenofen maximal ein Bolzen zu viel erwärmt wurde. Spezifischer Energiebedarf Aluminium Messing Kupfer Endtemperatur ohne Taper 480 C 800 C 950 C Spez. Enthalpie Nutzgut 130 kwh/t Al 99 kwh/t Ms 113 kwh/t Cu Strombedarf IBE 215 kwh el /t Al 152 kwh el /t Ms 202 kwh el /t Cu energetischer Wirkungsgrad IBE 60.5 % 65.1 % 55.9 % Tabelle 1 : Stromdarf einer IBE mit mehrlagiger Spule und IGBT-Umrichter Spezifische CO 2 -Emission Aluminium Messing Kupfer Deutschland t CO2 /t Al t CO2 /t Ms t CO2 /t Cu Frankreich t CO2 /t Al t CO2 /t Ms t CO2 /t Cu Schweden < t CO2 /t Al < t CO2 /t Ms < t CO2 /t Cu Tabelle 2 : Vergleich CO 2 -Emission jeweils auf Basis des nationalen Strommix [Eurostat, 2007] Spezifische Betriebskosten Aluminium Messing Kupfer Deutschland /t Al /t Ms /t Cu Frankreich /t Al /t Ms /t Cu Schweden /t Al /t Ms /t Cu Tabelle 1 : Vergleich Betriebskosten auf Basis der durchschnittlichen Strompreise [Eurostat, 2009]

10 10 / 10 Zusammenfassung Der Einsatz eines OTTO JUNKER - Induktionsofens in IGBT-Technik bietet dem Betreiber sowohl als stand-alone Lösung als auch in Reihe mit einem brennstoffbeheizten Anwärmofen signifikante Vorteile, die dazu dienen können, den Einsatz eines solchen Aggregates trotz höherer spezifischer Betriebskosten zu rechtfertigen. Diese können abschließend wie folgt zusammengefasst werden: hoher elektrischer Wirkungsgrad durch FEM-berechnete Induktoren beste Reproduzierbarkeit der Bolzentemperaturen mit und ohne Taper beschädigungsfreies Beladen und Entladen durch OTTO JUNKER Tragschalentransport höchste Flexibilität bei schnellen Temperaturwechseln ( Losgröße 1 ) verschleißfreier, frei parametrierbarer Umrichter aus eigener Herstellung Leistungsregelung stufenlos von 0-100% keine Ansprüche an die Leitfähigkeit des Kühlwassers, z.b. Notwendigkeit von VE-Wasser kürzeste Wechselzeiten des Ofenaufsatzes durch verwechslungssichere Schnellverschlüsse definierter Kontakt zwischen Thermoelement und Bolzen durch Temperaturmessung von oben kurzer Feldverlängerer höhere Thermoelementstandzeiten durch Blind Heating in Kombination mit Schweißmaschine und Narrow-Cut -Kaltsäge schrottfreie Produktion qualitätssicherungsgerechte Materialverfolgung und Datenmanagement Diese Vorteile werden durch umfangreiche Prozess- und Anlagenkenntnisse der bei OTTO JUNKER für die Betreiber tätigen Spezialisten sichergestellt, wobei die Lieferung der besonders vorteilhaften Kombination brennstoffbeheizter Anwärmofen zur Grunderwärmung plus induktiv beheizter Anwärmofen zur Enderwärmung aus einer Hand ein Alleinstellungsmerkmal der darstellt.