Praxishandbuch Thermoprozesstechnik

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1 Herbert Pfeifer, Bernard Nacke Franz Beneke (Hrsg.) Praxishandbuch Thermoprozesstechnik Band I: Grundlagen Prozesse Verfahren 2. Auflage inkl. Datenträger

2 Praxishandbuch Thermoprozesstechnik

3 Metall - Keramik - R&D Gießen von Turbinenschaufeln, Turboladerrädern γ-tial, Ti, Ni-Basis. Induktionsbeheizte Zentrifugalgießmaschinen für Präzisionsfeinguß bis 2 kg Ti /TiAl, 3 kg Stahl, 1 kg Al/Mg, u.a. Vorwärmen von keramischen Gießformen für TiAl, Ti, Pt, Ni-Basis. Drehherdöfen 43 kw, 1100 C. 3 Drehteller (Ø 940 mm, Abstand 350 mm). Faserfrei. Glühen, Löten, Tempern unter Schutzgas / Vakuum. Wärmebehandlung von Federn und Coils (Draht, Band), Herstellung von Metallschäumen. Schutzgas- /Vakuumkammeröfen mit Gas - umwälzung bis 1200 C, 2000 l mit hitzebeständiger gasdichter Muffel. Halbautomatische Titan-Gießlinie bestehend aus Drehherdöfen, Nachwärme-Schutzgas-Banddurchlaufofen und Zentrifugalgießmaschinen. Trocknen und Kühlen beschich - teter Aluminium- Motorkolben. Taktdurchlauföfen 126 kw, 250 C. Länge 9 m, 10 s Takt, ca. 360 Stück/h. Tel.: Fax: [email protected]

4 Herbert Pfeifer, Bernard Nacke, Franz Beneke (Hrsg.) III Praxishandbuch Thermoprozesstechnik Band I: Grundlagen Prozesse Verfahren 2. Auflage VULKAN VERLAG

5 IV Bibliografische Information Der Deutschen Bibliothek Die Deutsche Bibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über abrufbar. ISBN (+ CD) ISBN (+ DVD) 2010 Vulkan-Verlag GmbH Huyssenallee 52-56, D Essen Telefon: (02 01) , Internet: Titelbild (Quelle): SMS Elotherm GmbH Das Werk einschließlich aller Abbildungen ist urheberrechtlich geschützt. Jede Verwertung außerhalb der Grenzen des Urheberrechtsgesetzes ist ohne Zustimmung des Verlages unzulässig und strafbar. Das gilt insbesondere für Vervielfältigungen, Übersetzungen, Mikroverfilmungen und die Einspeicherung und Bearbeitung in elektronischen Systemen. Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen usw. in diesem Werk berechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme, dass solche Namen im Sinne der Warenzeichen- und Markenschutz-Gesetzgebung als frei zu betrachten wären und daher von jedermann benutzt werden dürften. Das vorliegende Werk wurde sorgfältig erarbeitet. Dennoch übernehmen Herausgeber und Verlag für die Richtigkeit von Angaben, Hinweisen und Ratschlägen sowie für eventuelle Druckfehler keine Haftung. Lektorat/Projektmanagement: Stephan Schalm [email protected]

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7 We understand Metals Anlagenbau und Edelstahlgießerei Innovation, Prozesskompetenz und Kundenfreundlichkeit sind kennzeichnend für das 1924 gegründete, weltweit agierende Unternehmen. Gießereianlagen: Schmelz-, Gieß- und Warmhalteöfen für alle Einsatzgebiete Wärmebehandlungsanlagen: Anlagensysteme zum Erwärmen, Wärme- und Oberflächenbehandeln für die NE-Industrie Edelstahlgießerei: Hochwertige einbaufertige Stahlgussteile für anspruchsvolle Anwendungen OTTO JUNKER GmbH Postfach D Simmerath Fon: Fax: [email protected]

8 Vorwort VII Vorwort Das Praxishandbuch Thermoprozesstechnik Band I erscheint nun in einer 2., vollständig überarbeiteten Auflage. Damit wird die Tradition des Vulkan-Verlags, Fachbücher auf dem Gebiet des Industrieofenbaus bzw. der Thermoprozesstechnik zu publizieren, fortgesetzt. Der vorliegende Band I beinhaltet Grundlagen, Prozesse und Verfahren. Dieser vermittelt die Grundlagen der Wärmebehandlung, des Wärme- und Impulstransports, der Verbrennung und der Elektrowärmeverfahren. Darüber hinaus ist die Vakuum- und Schutzgastechnik für die Thermoprozesstechnik abgehandelt. Letztlich wird auch eine Übersicht über wichtige Hochtemperaturwerkstoffe des Industrieofenbaus gegeben. Dieser erste Band zeigt eindrücklich, dass das Gebiet der Thermoprozesstechnik einen sehr großen Bereich der Technik abdeckt. Dies ist nur durch eine größere Anzahl von Autoren zu leisten. Unser Dank gilt deshalb in ganz besonderem Maße diesen Autoren und den sie beschäftigenden Unternehmen. Dieser Dank gilt auch den Mitarbeitern des Vulkan-Verlags, hier sei stellvertretend für alle Herr Dipl.-Ing. Stephan Schalm genannt, die durch Ihren Einsatz ebenfalls am Gelingen dieses Buches maßgeblich beigetragen haben. Prof. Dr.-Ing. Herbert Pfeifer Prof. Dr.-Ing. Bernard Nacke Dr.-Ing. Franz Beneke

9 Tageslastgang der Schmelzöfen einer Giesserei ETP Institut für Elektroprozesstechnik Forschung, Entwicklung, Beratung und Service Entwicklung und Optimierung von elektrothermischen Prozessen und Anlagen: Induktive Schmelztechnik - Schmelzen im Kaltwand-Induktionsofen - Schmelztechniken für Keramiken und Gläser - Stoff- und Wärmetransport im Induktionsofen Induktive Erwärmung von Metallen - Induktive Banderwärmung - Hybridverfahren mit Gas, Laser,... - Randschichthärten komplexer Geometrien - Innovative Lösungen zur Durcherwärmung Herstellung neuer Werkstoffe Züchtung von Halbleiter-Einkristallen Thermische Behandlung von Werkstoffen Elektromagnetische Beeinflussung von Materialien ¼ h-leistungsmittelwerte 6000 Ressourcen- und umweltschonende 5000 Energienutzung: 4000 Energiemanagement 3000 von Geb uden und industriellen Anlagen 1/4 h-leistungsmittelwerte in kw ä 2000 Energiebedarf und CO2-Emission von Prozesswärmeverfahren 1000 Solare Energiesysteme 0 Infrarot-Thermografie Uhrzeit Ofen 1 Ofen 2 Ofen 3 Ofen 4 Ofen 5 EMV-Messungen 0:00 1:00 2:00 3:00 4:00 5:00 6:00 7:00 8:00 9:00 10:00 11:00 12:00 13:00 14:00 15:00 16:00 17:00 18:00 19:00 20:00 21:00 22:00 23:00 0:00 Problemlösungen durch: Experimentelle Untersuchungen an Versuchs- und Industrieanlagen Entwicklung neuer Messsysteme Numerische Modellierung und Prozesssimulation von gekoppelten elektromagnetischen, thermischen und fluiddynamischen Effekten Einsatz von automatischen Optimierungsverfahren Beratung von Energieversorgern sowie Anlagenherstellern und Anwendern elektrothermischer Prozesse Kontakt Info Institut für Elektroprozesstechnik Wilhelm-Busch-Str.4 D Hannover Tel.: Fax: homepage: Prof. Dr.-Ing. B. Nacke Tel.: [email protected] Prof. Dr.-Ing. E. Baake Tel.: [email protected]

10 Geleitwort IX Geleitwort Die Thermoprozesstechnikbranche, deren Kern der Industrieofenbau ist, kümmert sich sowohl um die Erzeugung von Stoffen als auch um die Einstellung von gewünschten Qualitätseigenschaften und bestimmter Gestaltungsformen der behandelten Materialien durch Wärme. Die Bandbreite reicht von der thermischen Gewinnung, dem Schmelzen, der Pulvermetallurgie, dem Wärmen und Wärmebehandeln, dem Trocknen und Oberflächenbehandeln bis hin zum Recyceln mit thermischen Prozessen. Die Thermoprozesstechnik findet Anwendung in nahezu allen Branchen der Investitionsgüterindustrie, wie der Eisen- und Stahlindustrie, der Automobil- und Automobilzulieferindustrie, dem Maschinenbau, den Gießereien, der Keramik- und Glasindustrie etc. Angesichts der Fülle der in der Praxis eingesetzten Anlagen und Verfahren einerseits sowie der Vielzahl kleinerer und mittlerer, hoch spezialisierter und innovativer Unternehmen andererseits ist die Branche äußerst vielfältig. Die gute Zusammenarbeit von Herstellern, Forschungsstellen und Anwendern sowie die enge Verbindung von Forschung und Entwicklung, Konstruktion, Bau und Vertrieb ist ein wesentliches Kennzeichen der Branche. Dies spiegelt sich auch in den Aktivitäten des Fachverbandes Thermoprozess- und Abfalltechnik im VDMA wider, in dem die Branchenunternehmen organisiert sind. Es verwundert deshalb nicht, dass die Autoren dieses Handbuchs insbesondere durch die industrielle Gemeinschaftsforschung mit dem Fachverband eng verbunden sind. Der Fachverband begrüßt und unterstützt deshalb die Initiative des Vulkan-Verlags, das Handbuch, das erstmalig 2002 erschien, neu aufzulegen und zu überarbeiten. Wir danken dem Vulkan-Verlag, den Herausgebern und Autoren für den erheblichen Einsatz zur Realisierung dieses umfangreichen Werks und wünschen den auf diesem Gebiet tätigen Studierenden und Ingenieuren einen regen Gebrauch dieses Praxishandbuchs. Dr. Gutmann Habig Geschäftsführer des Fachverbandes Thermoprozess- und Abfalltechnik im VDMA

11 X Autorenverzeichnis Autorenverzeichnis Prof. Dr.-Ing. Egbert Baake Leibniz Universität Hannover Institut für Elektroprozesstechnik Wilhelm-Busch-Straße 4 D Hannover Dipl.-Ing. Friedherz H. Becker Riedhammer GmbH Klingenhofstraße 72 D Nürnberg Dr.-Ing. Franz Beneke VDMA Fachverband TPT Lyoner Straße 18 D Frankfurt am Main Prof. Dr.-Ing. Wolfgang Bleck RWTH Aachen University Institut für Eisenhüttenkunde Intzestraße 1 D Aachen Dipl.-Ing. Johann Daimer SGL CARBON GmbH Werner-von-Siemens-Straße Meitingen Dr. rer. nat. Heike Hattendorf ThyssenKrupp VDM GmbH Kleffstraße 23 D Altena Dr.-Ing. Hartmut Hegeler Nikolaus Sorg GmbH & Co. KG Stoltestraße Lohr am Main Dr.-Ing. Volker Heuer ALD Vacuum Technologies GmbH Wilhelm-Rohn-Straße 35 D Hanau Dr. Hubert Jäger SGL CARBON GmbH Werner-von-Siemens-Straße Meitingen Dipl.-Ing. Dirk Joritz Ipsen International GmbH Flutstraße 78 D Kleve Prof. Dr.-Ing. Carl Kramer WSP GmbH An der Glashütte 10 D Aachen Dr.-Ing. Erwin Dötsch ABP Induction Systems GmbH Kanalstraße 25 D Dortmund Dr.-Ing. Jutta Klöwer ThyssenKrupp VDM GmbH Kleffstraße 23 D Altena Dipl.-Ing. Peter Haase Wilh. Schulz GmbH Spezialglühbetrieb Hülser Straße 764 A D Krefeld Dr.-Ing. Klaus Löser ALD Vacuum Technologies GmbH Wilhelm-Rohn-Straße 35 D Hanau

12 Autorenverzeichnis Prof. Dr.-Ing. Bernard Nacke Leibniz Universität Hannover Institut für Elektroprozesstechnik Wilhelm-Busch-Straße 4 D Hannover Prof. Dr.-Ing. Herbert Pfeifer RWTH Aachen University Institut für Industrieofenbau u. Wärmetechnik Kopernikusstraße 16 D Aachen Dr.-Ing. Volker Uhlig Technische Universität Bergakademie Freiberg Institut für Wärmetechnik und Thermodynamik Gustav-Zeuner-Straße 7 D Freiberg Dipl.-Ing. Heinz Wimmer RATH GmbH Krefelderstraße D Mönchengladbach XI Dipl.-Ing. Michael Springer FBB Engineering GmbH Puechhaimgasse 43 A-3580 Horn 1. Praxistagung Energieeffi zienz Termin: Dienstag, , Veranstaltung (10:00 17:00 Uhr) Gemeinsame Abendveranstaltung ab 19:00 Uhr Mittwoch, , Veranstaltung (9:00 17:00 Uhr) in der Alle Vorträge & Impressionen Ort: Essen, Intercity Hotel jetzt Online Zielgruppe: pe: Hersteller und Betreiber von industriellen Thermoprozessanlagen Mehr Information und Online-Anmeldung ng unter Veranstalter

13 Entscheiden Sie sich für leistungsstarke WS Gasbrenner der neuesten Generation. Innovative Systemlösungen von WS, die auf der einzigartigen FLOX -Technologie* basieren. Potenzielle NOx Probleme werden endgültig entschärft und ein energieeffizienter und funktionssicherer Systembetrieb für eine nachhaltige Produktivität etabliert. Maximale Energie-Effizienz. WS Wärmeprozesstechnik GmbH Dornierstraße 14 d Renningen / Germany Tel.: +49 (71 59) Fax: +49 (71 59) [email protected] WS Inc. 719 Sugar Lane Elyria, OH / USA Tel.: +1 (440) Fax: +1 (440) [email protected]

14 Inhalt XIII Inhalt Vorwort... Geleitwort... Autorenverzeichnis... VII IX X 1. Einleitung Definition des Begriffs Thermoprozesstechnik Systematik und Klassifikation der Thermoprozessanlagen Ofenart Gutlagerung Erwärmungsprinzip Hüllmittel Produktionsbereich Werkstofftechnische Grundlagen Schmelzen Eisenwerkstoffe Stahlherstellung Sekundärmetallurgie der Stahlherstellung Schmelzen von Eisenguss Aluminium Primär- und Sekundäraluminium Guss- und Knetlegierungen Qualität der Aluminiumschmelze Schmelzebehandlung Kupferwerkstoffe Kupfergewinnung Kupfersorten und -legierungen Oxidierendes und reduzierendes Schmelzen Glas Glasarten und -rohstoffe Herstellung von Glas Glasschmelzanlagen Grundlagen der technischen Wärmebehandlung metallischer Werkstoffe Härten Begriffsbestimmung Vergüten (Härten und Anlassen) Prüfung der Härtbarkeit Berechnung der Härtbarkeit Einsatzhärten Eigenschaften gehärteter Werkstücke Glühbehandlungen Diffusionsglühen... 81

15 XIV Inhalt Grobkornglühen Normalglühen Weichglühen Rekristallisationsglühen Spannungsarmglühen Kombinierte Glühverfahren Patentieren von Drähten Beschreibung der Austenitumwandlung für technische Anwendungen Ermittlung der Ungleichgewichtsschaubilder Grundlagen der technischen Wärmebehandlung von nichtmetallischanorganischen Werkstoffen Einteilung von nichtmetallisch-anorganischen Werkstoffen Natursteine Magmatite Sedimente Metamorphite Glas Rohstoffe und Herstellung Wärmebehandlung von Glas Formgebung von Glas Eigenschaften von Glas und ihre Beeinflussung Keramik Einteilung keramischer Werkstoffe Sintern keramischer Werkstoffe Anfangsstadium Zwischenstadium Endstadium Sintern von Hartporzellan Nichtmetallisch-anorganische Bindemittel Zement Zementarten Sintern zum Zementklinker Kalk Enstehung von Calciumcarbonat Kalzinieren von Calciumcarbonat Gips System CaSO 4 - H 2 O Dehydratisierung des Gipses Wärmeübertragung Grundgleichungen der Wärmeübertragung Wärmeleitung Fouriersches Gesetz Fouriersche Wärmeleitungsgleichung Eindimensionale, stationäre Wärmeleitung Wärmeübertragung an Rippen Wärmeübertragung an Rippen mit konstanten Querschnitten

16 Glühende Leidenschaft hat keine Grenzen. Die Welt dreht sich um neue Märkte, neue Ziele, neue Herausforderungen. Und ABP Induction dreht sich immer ein wenig schneller: mit glühender Leidenschaft für Induktion und Automation, mit modernster Technik und individuellem Service. Als Spezialist rund ums Gießen und Schmieden, Schmelzen und Formen sorgen wir weltweit dafür, dass Sie überall und jederzeit neue Horizonte erreichen. Willkommen zu einem neuen, erfolgreichen Tag! ABP Induction Systems GmbH Kanalstraße Dortmund DEUTSCHLAND Tel.: Fax: ABP Induction Systems GmbH Servicestützpunkt Süddeutschland Max-Fischer-Straße Bobingen DEUTSCHLAND Tel.: Fax: ABP Induction, LLC 1460 Livingston Avenue North Brunswick, NJ USA Tel.: Fax: ABP Induction, LLC Gateway Road Brookfield, WI USA Tel.: Fax: ABP Induction Sistemas De Fundição, Ltda Avenida Tégula, No. 888, Módulo 16 Atibaia, São Paulo BRASILIEN Tel.: Fax: ABP Induction Co. Ltd Fujin Road, Baoshan Shanghai CHINA Tel.: Fax: ABP Induction Systems Pvt. Ltd. 455, G.I.D.C. Manjusar Tal: Savli District: Vadodara INDIEN Tel.: Fax: ABP Induction Systems S de RL de CV España 406, Parque Industrial Martel Santa Catarina, N.L. México MEXIKO Tel.: ABP Induction Systems GmbH Branch Office Ryazanski prospect, 75/4, Moscow RUSSISCHE FÖDERATION Tel.: Fax: ABP Induction AB Spännarhyttans Ind. område Norberg SCHWEDEN Tel.: Fax: ABP Induction Ltd. 80/1 Moo 11, Phaholyothin Road, Tambol Klong Nueng, Amphur Klong Luang, Panthumthanee THAILAND Tel.: Fax:

17 XVI Inhalt Rippenwirkungsgrad Instationäre Wärmeleitung Körper mit hoher Wärmeleitfähigkeit Ebene Wand mit Konvektion Unendlich langer Zylinder mit Konvektion Kugel mit Konvektion Der einseitig unendlich ausgedehnte Körper Numerische Lösung von Wärmeleitungsproblemen Numerische Lösung stationärer Wärmeleitungsprobleme Numerische Lösung instationärer Wärmeleitungsprobleme Wärmestrahlung Schwarze Strahlung Plancksches Verteilungsgesetz Wiensches Verschiebungsgesetz Stefan-Boltzmannsches Gesetz Oberflächenemission - Reflektion, Absorption, Transmission Strahlungsaustausch zwischen diffusen, grauen Flächen Einstrahlzahlen (view factors) Berechnete Einstrahlzahlen Strahlungsaustausch zwischen schwarzen Oberflächen Strahlungsaustausch zwischen grauen Oberflächen in einem geschlossenen Raum Gasstrahlung; Strahlung von Gasgemischen Absorption und Strahlung in Gasen mit konstanten Temperaturen Emissionsgrade von Gasen bei einem Gesamtdruck von p = 1 bar Strahlungsaustausch zwischen Gas und Wand Konvektion Bestimmung von Wärmeübergangskoeffizienten mittels dimensionsloser Kennzahlen Brennstoffe und Verbrennung Einteilung der Brennstoffe Zusammensetzungen gasförmiger Brennstoffe Eigenschaften und Kenndaten von Gasen und gasförmigen Brennstoffen Zusammensetzung eines Gasgemisches Molare Masse eines Gasgemisches Molares Volumen eines Gasgemisches Dichte Relative Dichte Bezugszustand Brennwert H o,n Heizwert H u,n Wobbe-Index eines gasförmigen Brennstoffs Zündtemperatur eines gasförmigen Brennstoffs Zündgrenzen eines gasförmigen Brennstoffs Spezifische Wärmekapazität und Enthalpie

18 Hohe Präzision durch 100% deutsches Know-how: Dadurch trägt SCHLAGER jeder technischen Anforderung von Wärmebehandlungsbetrieben Rechnung. SCHLAGER Industrieofenbau GmbH Sudfeldstr Hagen Tel.: +49 (0) Fax: +49 (0)

19 XVIII Inhalt 4.4 Verbrennung Grundgleichungen der Verbrennung Reaktionsgleichungen Sauerstoff- und Luftbedarf der Verbrennung Abgase bei der Verbrennung Energetik der Verbrennungsprozesse Verbrennungstemperatur Abgasverluste Feuerungstechnischer Wirkungsgrad Elektrothermische Verfahren Übersicht der Elektrothermischen Verfahren und deren Anwendungs gebiete in der Industrie Direkte Erwärmungsverfahren Mathematische Grundlagen und Berechnung direkter Erwärmungsverfahren Elektromagnetisches Feld Temperaturfeld Kopplung von elektromagnetischem und thermischem Feld Fluiddynamisches Feld Methoden zur numerischen Berechnung Induktive Erwärmung Physikalische und technische Grundlagen Induktives Schmelzen Induktive Erwärmung zum Wärmebehandeln, Umformen sowie zum Fügen und Trennen Konduktive Erwärmung Physikalische und technische Grundlagen Anwendungsbereiche und Anlagentechniken Energieversorgung und Energiebedarf Dielektrische Erwärmung Physikalische und technische Grundlagen Hochfrequenzerwärmung Mikrowellenerwärmung Indirekte Erwärmungsverfahren Widerstandserwärmung Physikalische und technische Grundlagen Anlagentechniken und Anwendungsbereiche Infraroterwärmung Physikalische und technische Grundlagen Anlagentechniken und Auslegungskriterien Anwendungsbereiche Lichtbogenerwärmung Physikalische und technische Grundlagen Anwendungen Plasmaerwärmung Physikalische und technische Grundlagen Anwendungsbereiche der Plasmastrahlverfahren

20 Inhalt XIX Anwendungsbereiche der Plasmawärmebehandlung und Plasmaoberflächentechniken Laserstrahlerwärmung Physikalische und technische Grundlagen Anwendungsbereiche Elektronenstrahlerwärmung Physikalische und technische Grundlagen Anlagentechniken und Anwendungsbereiche Funkenerosion Physikalische und technische Grundlagen Anwendungstechniken Anlagenaufbau Anwendungsbereiche Energiebilanz von Industrieöfen und Energieeffizienz Massenbilanz Energiebilanz Erster Hauptsatz der Thermodynamik Arbeit System und Systemgrenze Enthalpie, innere Energie Bewertung von Bilanzen Nutzungsgrad Wirkungsgrad Definition von Wirkungsgraden Wirkungsgrade eines Ofens ohne Luftvorwärmung Wirkungsgrade eines Ofens mit Luftvorwärmung Wirkungsgrade und Energiebilanzen von elektrothermischen Verfahren Wirkungsgradketten Wirkungsgrade für die elektrothermische Energiewandlung bei direkten elektrothermischen Erwärmungsverfahren Beispiele für Energiebilanzen elektrothermischer Verfahren Energieeffizienz von Industrieöfen Methodik zur Verbesserung der Energieeffizienz von Industrieöfen Energieeffizienz von elektrothermischen Verfahren Optimierung vorhandener Prozesse und Anlagen Substitution oder Ergänzung konventioneller thermischer Prozesse und Anlagen Entwicklung und Einführung neuer hocheffizienter Verfahren Beispiele für Energiebilanzen brennstoffbeheizter Industrieöfen Thermoprozessanlagen mit Gasumwälzung Anwendungsgebiete Die Thermoprozessanlage mit Gasumwälzung als Strömungskreislauf