Energiemanagement in der Keramikfertigung

Transkript

1 Effizienzfabrik -Treff Frankfurt Energiemanagement in der Keramikfertigung Friedrich Raether, Peter Stingl, Torsten Weiß Energiebilanz handelsüblicher Werkstoffe Iron metals NE metals Technical ceramics Other ceramics Composites Elastomers Plastics 1 MJ,8 kg CO 2 Quelle: Cambridge Engineering Selector, Version 5.2. (29) 1

2 Anteil der Wärmebehandlung an der Energiebilanz von technischen Keramiken Quelle: Cambridge Engineering Selector, Version 5.2. (29) Prozesskette zur Herstellung von Sinterwerkstoffen Pulverherstellung Additive T Sintern Schmelztemperatur Formgebung Entbindern Wärmebehandlung 2-6 C Endbearbeitung RT Zeit,1-1h 2

3 Entwicklung der Mikrostruktur während der Sinterung Quelle: R.M. German, 1996 Triebkraft: Oberflächenenergie im Grünkörper > Korngrenzenergie in Keramik ==> Sinterspannung (Größenordnung 1-1 MPa) Energieeffizienz beim Brennen von Keramiken O. J. Whittemore, ACerS Bull. (1999): E Tmax theo = cp dt + Eendo Eexo RT E theo = Theoretischer Energiebedarf, c p = Spez. Wärme Brenngut E endo/exo = Spez. Reaktionsenthalpien 3

4 Energieeffizienz beim Brennen von Keramiken Theoretischer Energiebedarf: O. J. Whittemore, ACerS Bull. (1999) Sintertemperatur: German, R.M., Sintering theory and practice (1996) Wärmekapazität: Barin, I., Thermochemical Data of Pure Substances (1989) Tatsächlicher Energiebedarf: Datenbank CES, Version 5.2. (29) η (%) 1 5 Al6Si2O13 TiO2 Si3N4 Al2O3 SiC BN AlN MgO ZrO2-3Y2O Firing energy (MJ/kg) Energieeffizienz: Technische Keramiken: 3-1% Ziegel: 3-6% Energiebilanz und theoretischer Energieverbrauch bei der Wärmebehandlung von Keramiken Das Projekt ENITEC: Minimierung des Energieverbrauchs entlang der Herstellkette Identifikation der Prozessparameter im Zielkonflikt von Energieund Kostenreduktion sowie Qualität 4

5 Effiziente Niederenergie Entbinderungs- und Sintertechnik in der Keramikherstellung: Laufzeit bis Zielsetzung Absenkung Energiebedarf bei Wärmebehandlung um 4 %! Optimierung durch: Kürzere Prozesszeit, weniger Ausschuss, geringere Maximaltemperatur, weniger BHM, Umluft Zusätzlich: energieaufwändige Schritte eliminieren: Heißpressen, zweistufiges Entbindern + Sintern, Nachbearbeitung Tatsächlichen Energieverbrauch und Verbesserung quantifizieren 5

6 Zielkonflikte Maßnahme Vorteil Nachteil Verbesserte Formgebung Höhere Heiz- bzw. Kühlraten Geringere Maximaltemperatur / Haltezeit Homogenere Grünkörper Energie- / Kostenreduktion Energie- / Kostenreduktion - T-Gradienten Ausschuss, Verzug Höherer Mahlaufwand, geringere Enddichte Bessere Ofenisolierung Energieeinsparung Höhere Kosten, längere Kühlzyklen Weniger Brennhilfsmittel Weniger Spülgas Energie- / Kostenreduktion Energie- /Kostenreduktion T-Gradienten Konzentrations- / T- Gradienten Rohstoffe Fraunhofer Aufbereitung Formgebung Entbindern Sintern Nachbearb. Bewertung der Grünkörperhomogenität Cross Section Polishing Ausbrand des Binders (ca. 7 C) Cross Section Polishing Ar + -Ionen REM-Abbildung mit hohem Porenkontrast Binarisierung Varianzanalyse der Porosität auf unterschiedlichen Skalen Blende Probe 1 µm Schnittfläche Materialabtrag 1 µm 3 µm 6

7 Einfluss der Formgebung auf Sinterverhalten µm Beispiel Al 2 O 3 (TM-DAR) CIP mit/ohne Binder Variananalyse zeigt Unterschiede an Sintern mit 5 K/min an Luft Deutliche Unterschiede im Sinterverhalten L/L Scaled variance Homogenous forming Inhomogenous forming Length in µm Homogenous forming inhomogenous forming Temperature in C Diplomarbeit: S. Riecker, Würzburg 211 Zielkonflikte Maßnahme Vorteil Nachteil Verbesserte Formgebung Höhere Heiz- bzw. Kühlraten Geringere Maximaltemperatur / Haltezeit Homogenere Grünkörper Energie- / Kostenreduktion Energie- / Kostenreduktion - T-Gradienten Ausschuss, Verzug Höherer Mahlaufwand, geringere Enddichte Bessere Ofenisolierung Energieeinsparung Höhere Kosten, längere Kühlzyklen Weniger Brennhilfsmittel Weniger Spülgas Energie- / Kostenreduktion Energie- /Kostenreduktion T-Gradienten Konzentrations- / T- Gradienten Rohstoffe Fraunhofer Aufbereitung Formgebung Entbindern Sintern Nachbearb. 7

8 Energiebilanz und theoretischer Energieverbrauch bei der Wärmebehandlung von Keramiken Das Projekt ENITEC: Minimierung des Energieverbrauchs entlang der Herstellkette Identifikation der Prozessparameter im Zielkonflikt von Energieund Kostenreduktion sowie Qualität Strategie im Zielkonflikt Präzise Vorhersage von Keramikqualität und Energiebilanz Messung thermophysikalischer Daten Simulation der Kinetik für Entbinderung und Sinterung FE-Simulation der Temperaturgradienten im Brenngut / Brennstapel FE-Simulation des Energieverbrauchs Gekoppelte Simulation zur Optimierung der Brennbedingungen Quelle: 8

9 Messung thermophysikalischer Daten: Thermooptische Messanlagen Berührungsfreies optisches Messprinzip Dimensionsänderungen, Verformung Kriechen, Benetzung Gewichtsänderungen, Schallemission Variable Probengeometrien TOMMI plus Messung an Luft Bis 175 C TOM-AC Vakuumdichter Ofen Kontrollierte Atmosphäre bis 21 C Thermophysikalische Messverfahren Sinterschwindung, (Dilatometer, TOM) Masseänderung (TG, TOM) Verformung (TOM) Reaktionswärme (DSC) Viskose Moduli (TOM) Gasemission (MS, TOM) Grenzheizraten (Schallemission, TOM) Wärme Wärmeleitfähigkeit (Laser-Flash, TOM) Sinterung Sinterung und Entbinderung Entbinderung Raether, F.: Current state of in-situ measuring methods for the control of firing processes. J. Am. Ceram. Soc. 92 (29) 9

10 Grundvoraussetzung: Präzise Dimensionsmessung! TOMMI plus Messung des Rauschens an gesinterter Al 2 O 3 -Probe Mittleres Rauschen ca..3 µm L/L L/L L 1. L=.3 µm Temperature in C L in µm Messung der Reproduzierbarkeit beim Sintern von drei Al 2 O 3 - Grünproben Mittlere Standardabweichung.3 % R=.3% R = TFinal TOnset σ ( T ) dt L 1 L Final Onset Simulation der Kinetik für Entbinderung und Sinterung T 5 2 1,5 K/min ln( du/dt) 6% 95% Isoline 4% 2% t 1/T Kinetic Fraunhofer Field: H. Palmour III: Powder Metal Report, 9 (1988) 1

11 Validierung der Kinetik Field-Technik Entbinderung Temperature in C 4 2 Constant rate heating Verification run Time in min Conversion Experimental Simulation. 2 4 Temperature in C Sinterung 1 5 Temperature in C15 Constant rate heating Verification run Shrinkage L/L Experimental Simulation 1 2 Time in min Temperature in C Simulation des Energieverbrauchs FE-Modell Ofen Beispiel: Stehender Rohrofen (FCT) Ofengeometrie vereinfachen! Homogenisierung des Brennstapels! Argon Thermophysikalische Daten für Isoliermaterialien, Heizer, BHM Strahlung + Konvektion PID-Regler für Temperaturkontrolle Zeitabhängige Berechnung von Temperaturprofilen Energieverbrauch Temperatur im Brennstapel Temperatur in K 1m Graphitheizer Hartfilzisolierung SiC- Gleitringe COMSOL 11

12 Homogenisierung des Brennstapels Submodelle, Beispiel: Sinterung von SiC-Gleitringen Submodell für Anordnung der Gleitringe in Säulen Berechnung der Wärmeleitfähigkeit axial und radial: λ(t, ρ) T+ T Submodell für Anordnung der Säulen in Ebenen Berechnung der Wärmeleitfähigkeit axial und radial: λ(t, ρ) T Homogener Brennstapel Rechenzeit ca. 2 min pro Brennzyklus Temperaturzyklus und Energieverbrauch Langsames Heizen (Standard) Aufheizrate 2.5 K/min Haltezeit 2 h bei 21 C Kühlrate 2.5 K/min 89 MJ/kg Schnelles Heizen Temperature in K 2 1 Furnace Midpoint Edge 5 1 Time in min Power in kw Aufheizrate 2 K/min Haltezeit 2 h bei 21 C Kühlrate 2 K/min 4 MJ/kg Temperature in K Power in kw 1 2 Time in min 12

13 Einflussfaktoren auf Energieverbrauch Standard Aufheizrate 2.5 K/min Haltezeit 2 h bei 21 C Kühlrate 2.5 K/min Gasfluss 2 l/min Argon Graphithartfilzisolierung 1 % Firing energy in MJ/kg K/min 5 K/min 1 K/min 2 K/min 1 l/min 12 % Iso. 212 C, 1.3 h Optimierung der Wärmebehandlung bei großen Bauteilen Erwärmung in kleinen Temperaturschritten T(t) 5 K Berechnung des Temperaturprofils anhand lokaler Wärmeleitfähigkeit Berechnung der lokalen Sinterkinetik anhand lokaler Temperatur und Kinetic Field Berechnung der Spannungen und Verzüge 3 C 6 C -1 σ +.6 T in MPa -1 σ +2.3 T in MPa.4 m Raether, F., Klimera, A., Baber, J.: Ceramics Int., 34 (27) 13

14 Energiebilanz und theoretischer Energieverbrauch bei der Wärmebehandlung von Keramiken Das Projekt ENITEC: Minimierung des Energieverbrauchs entlang der Herstellkette Identifikation der Prozessparameter im Zielkonflikt von Energieund Kostenreduktion sowie Qualität Schlussfolgerungen Schlussfolgerungen Energiebilanz bzw. CO 2 -Footprint spielen eine wachsende Rolle für die Materialauswahl. Bei der Wärmebehandlung von technischen Keramiken besteht ein großes Verbesserungspotential. Zwischen Energie- und Kostenreduktion sowie Qualität bestehen Zielkonflikte. Mittels Kinetic Field-Techniken ist eine präzise Vorhersage von Entbinderungs- und Sinterverlauf an kleinen Bauteilen möglich! Die gekoppelte Simulation von Entbinderungs- und Sinterkinetik sowie Temperaturverteilung im Brennofen ermöglicht die Übertragung auf technische Prozesse und große Bauteile. Nachhaltigkeit rechnet sich! 14

15 Forschung für die Produktion von morgen Energieeffizienz in der Produktion R. Herborn R. Olsowski H. Schömig D. Winkler M. Iuga T. Staab M. Römer 15