Zusammenfassung

Von der Firma PADELTTHERM® GmbH wurde eine vollautomatische Kammerofen­anlage zur Wärmebehandlung von Aluminiumteilen im Technologiecentrum Gießerei VW Hannover zur produktiven Nutzung übergeben. Diese satzweise beschickte Kammerofenanlage ist für die Wärmebehandlung von verschiedenen Chargen ge­eignet und soll sowohl die bekannten Wärmebehandlungen der laufenden Produktion abdecken, als auch neue Wärmebehandlungsprozesse entwickeln. Die Anlage ist vollautomatisch und wird nur vom Bedienpersonal be- und entladen. Nach Eingabe des Wärmebehandlungsprogramms am Leitsystem, übernimmt dieses die Steuerung des Anlagendurchlaufes. Nach Beendigung der Wärmebehandlung und Abkühlung auf Handlingstemperatur kann der Ofenbediener das Einsatzgut ent­nehmen und das dazugehörige Wärmebehandlungsprotokoll ausdrucken. Im Lösungsglüh- und Auslagerungsofen wird eine Temperaturgleichmäßigkeit von < 3 K über den gesamten Chargenraum von 1000 x 1000 x 900 mm erreicht. Die kurze Umsetzzeit zwischen Lösungsglühofen und Abschreckbad ermöglichen opti­male Vergüteergebnisse.

Vorbetrachtung

In der Automobilindustrie hat der Werkstoff Aluminium eine stetig wachsende Be­deutung. Besonders die wesentlich geringere spezifische Masse im Vergleich zu Stahl bringt bei der Substitution eine Gewichtsersparnis bis zu 65 %. Nachteilig ist jedoch die relativ geringe mechanische Festigkeit von Aluminium, die durch den Zu­satz von Legierungselementen, wie z. B. Silizium, Magnesium und andere Elemente, wesentlich erhöht werden kann. Eine weitere Maßnahme ist die gezielte Wärmebehandlung von Teilen aus legierten Alu-Guss. Durch diese können die Zugfestigkeit, die Streckgrenze und die Bruch­dehnung entscheidend verbessert werden.    Der Wärmebehandlungsprozess besteht aus den Schritten Lösungsglühen, Abschre­cken und Warmauslagern. Je nach Legierungszusammensetzung erfolgt das Lö­sungsglühen im Temperaturbereich von 510 – 540 °C mit einer Temperaturgleich­mäßigkeit von kleiner 3 °C über einen Zeitraum von 4 – 5 Stunden. Während dieser Glühzeit entstehen Al-Mischkristalle, in denen die Legierungselemente vollständig gelöst sind. Durch das anschließende schnelle Abschrecken des Einsatzgutes im Wasser wird die Ausscheidung, d.h. die Entwicklung der Legierungselemente aus den Mischkristallen, vermieden. Bei dem nachfolgenden Warmauslagern im Tempe­raturbereichen von 140 – 160° C ebenfalls mit einer Temperaturgleichmäßigkeit von kleiner 3 °C wird durch gezieltes Ordnen der Kristallgitterstrukturen die notwendige Festigkeit erreicht. Von Seiten der Automobilhersteller wird zur Qualitätssicherung für diese anspruchs­volle Wärmebehandlung eine absolute Reproduzierbarkeit des Prozesses gefordert. Die benötigte Ofenanlage muss folgende technischen Parameter erfüllen: sehr genaue Temperaturführung im Lösungsglüh- und Warmauslagerungs­ofen eine hohe Temperaturgleichmäßigkeit in der gesamten Charge bei den beiden Prozessabschnitten ein minimaler Temperaturabfall beim Umsetzen der Charge vom Lösungsglüh­ofen in das Abschreckbad Einhaltung der technologisch erforderlichen Abschrecktemperatur eine intensive Abschreckung der Charge im Wasserbad. Die PADELTTHERM® GmbH bekam 2004 vom Technologiecentrum Gießerei VW Hannover die Aufgabe gestellt, eine vollautomatische Vergüteanlage zu errichten. In der vom Projektleiter, Herrn Cravaack, erarbeiteten Aufgabenstellung wurde ge­fordert, den gesamten Wärmebehandlungs- und Transportprozess automatisch ab­laufen zu lassen. Das Einsatzgut sollte technologisch bedingt auf einen Beladeplatz gestapelt, mit ei­nem Gabelhubwagen zur Ofenanlage transportiert und dort auf den Aufgabetisch abgestellt werden. Nach der absolvierten Wärmebehandlung soll die Charge aus der Kühlkammer ent­nommen und von dort mit dem Gabelhubwagen abtransportiert werden. Zur Sicherung des Bedienungspersonals während des Automatikbetriebes muss der gesamte Anlagenbereich mit einem Sicherheitszaun umgeben werden. Das Sortiment der Ofenanlage ist sehr ver­schieden, da sowohl bekannte Wärmebe­handlungen als auch neu zu entwickelnde Behandlungsprozesse mit Hilfe dieser Anlage abgedeckt werden sollen. Als besondere Anforderung galt, dass die Anlage ebenerdig ohne Fundament  auf­gestellt werden sollte. Zur Erfüllung dieser Aufgaben wurde eine vollautomatische Ofenanlage (Bild 1) kon­zipiert, die aus folgenden Anlagenteilen besteht:

1.Aufgabeplatz
2.Lösungsglühofen mit davor befindlichem Wasserabschreckbad
3.Auslagerungsofen
4.Kühlkammer mit Entnahmeplatz
5.Chargiermaschine zum Transport zwischen den Anlagenteilen
6.Steuerungsanlage einschließlich Leitsystem „prover/2“ zur Prozessüberwa­chung (Fa. demig)

Funktionsbeschreibung

Nach dem Öffnen der Sicherheitstür am Aufgabeplatz (Bild 2) wird die wärmezube­handelnde Charge mit Hilfe eines  Ga­belhubwagens auf dem Aufgabetisch abge­stellt. Die Aufgabehöhe von 900 mm wurde durch die vorhandenen Gabelstapler be­stimmt. Nach dem Wiederver­schließen der Tür im Schutzzaun und der Quittie­rung am Bedienkasten meldet der Bediener die Charge im Leitsystem an. Das Leitsystem ordnet automatisch das erforderliche Wärmebehandlungspro­gramm der Charge zu. Nach erfolgter Erfassung wird der Durchlauf durch die Vergüteanlage durch das Leit­system vollautomatisch gesteuert. Ist der Lösungsglühofen zur Aufnahme der Charge bereit wird diese vom Aufgabe­platz mit Hilfe der Chargiermaschine abgeholt und in den Ofen eingesetzt. Nach dem Verschließen der Ofentür startet das Wärmebehandlungsprogramm automatisch. Nach Ablauf der Prozesszeit fährt die Chargiermaschine wieder vor den Ofen und setzt die Charge ins Wasserbad um. Nach Ablauf der Abschreckzeit, die vom Leit­system nach kundenseitiger Angabe vorgegeben wird, und der anschließen­den Ab­tropfzeit wird das Einsatzgut zum Auslagerungsofen trans­portiert. Nach dem Beladen des Ofens erfolgt der Pro­zessstart automatisch. Ist die Prozesszeit beendet, setzt die Chargiermaschine die Charge in die Kühlkam­mer um. Am Prozessende leuchtet am Schaltschrank die weiße Lampe „Entladebe­reit“ auf. Danach öffnet das Ofenbedienungspersonal die Kühlkammertür mit Hilfe des außen­lie­gen­den Tasters „Ausgangstüre öffnen“ am Bedienkasten, rechts neben der Tür. Die Charge wird entnommen und die Kühlkammertür wieder ver­schlossen. Nach der Entnahme der Charge kann am Leitsystem das zur Charge ­gehörige Pro­tokoll mit allen Chargendaten inkl. Störmeldungen ausgedruckt werden. Um einen reibungslosen automatischen Betrieb der Anlage zu gewährleisten, müs­sen die Chargen nach Beendigung der Kühlzeit manuell aus der Kühlkammer ent­nommen wer­den, da es sonst zu Störungen des Arbeitsablaufes kommen kann. Das Leitsystem überprüft selbstständig den Ablauf des Automatikbetriebes. Der aktuelle Zustand der Ofenanlage kann am Bildschirm des Leitsystems überprüft werden. Dort werden die jeweiligen Temperaturen der Anlagenteile als Soll- und Ist-Werte angezeigt. Gleichzeitig wird die Restprozesszeit dargestellt. Durch das Ankli­cken des Anlagenteils mit der Maus werden alle Chargendaten ersichtlich. Die Ofenregler am Schaltschrank des Lösungsglühofens und des Auslagerungsofens zeigen die kompletten aktuellen Ablaufprogramme und die Temperaturen in den Öfen und im Ab­schreckbad.

Aufbau und Funktion der Anlagenteile

Für den Transport der Chargen läuft vor den Anlagenteilen innerhalb des Schutzzau­nes eine Chargiermaschine. Sie transportiert die Chargen vom Beladeplatz zum Lö­sungs­glühofen, aus die­sem in das Wasserabschreckbad, nach dem Abtropfen in den Aus­lagerungsofen und von dort in die Kühlkammer. Der Transportablauf der Chargen durch die Anlagenteile gibt der Chargiermaschine das Leitsystem vor. Die Chargiermaschine (Bild 4) ist ähnlich einem einseitigen Portalkran ausgeführt. Für die Längsfahrt ist die ofenseitige Kranschiene oberhalb des Türportals angeord­net. Die Kranschiene auf der gegenüberliegenden Seite wurde am Hallenboden be­festigt. Das Portal der Chargiermaschine steht auf vier kugelgelagerten Radblöcken, wovon jeweils zwei oben  und unten angeordnet sind. Der Verfahrbetrieb für das Portal be­steht aus Zahnstangen mit Ritzel, welche durch einen frequenzgeregelten Motor an­getrieben werden. Die Anfahrpositionen, sowie die Umschaltpunkte für schnell/langsam werden mittels eines Laserentfernungsmesssystems erfasst. Durch einen zusätzlichen Endschal­ter wird an jedem Haltepunkt eine Plausibilitätskontrolle durchgeführt. Die Querfahrt in den Aufgabeplatz, den Lösungsglüh-, Auslagerungsofen, das Ab­schreckbad und in die Kühlkammer erfolgt mit Hilfe einer Laufkatze. Sie fährt oben am Portal mit Laufrollen in Gabelstaplerprofilen und wird mit Hilfe eines Zahnstan­gentriebs mit zwei Ritzeln, mittels eines frequenzgeregelten Getriebebremsmotors angetrieben. Die Abfrage der einzelnen Positionen erfolgt mit induktiven Endschaltern. An der Laufkatze befindet sich ähnlich wie beim Gabelstapler, eine Hubgabel zur Aufnahme der Charge, die in Gabelstaplerprofilen mit Hilfe von Kombirollen geführt wird. Die Hub- und Senkbewegung erfolgt über beidseitig angeordnete Zahnstangen und Stirnrädern, die über einen frequenzgeregelten Getriebebremsmotor mit beidsei­tigen Abtriebsstümpfen angetrieben werden. Die Abfrage der Positionen erfolgt ebenfalls mit induktiven Endschaltern, die auf der Chargiermaschine angeordnet sind. Eine Stromschiene entlang des unteren Gleises versorgt die Chargiermaschine mit elektrischer Energie. Am Portal der Chargiermaschine sind zwei mitfah­rende Schalt­kästen befestigt. In einem befinden sich die benötigten Frequenzumrichter für die Antriebe, im zweiten sind die Steuerelemente für die Endschalter sowie die Bedien­taster und Kontrollleuchten für die Betriebsart „Einrichten“ angeordnet. Im Einricht­betrieb  kann der Bedie­ner entlang des unteren Gleises mit der Chargiermaschine mitlaufen und alle Bewe­gungen kontrollieren. Die Kommunikation zwischen Schaltschrank und Chargiermaschine erfolgt über ein Infrarotdatenübertragungssystem. Die Hauptbestandteile der Ofenanlage sind der Lösungsglüh- und Auslagerungsofen. Beide Öfen sind systemgleich ausgeführt. Da sie in zwei verschiedenen Temperaturbereichen arbeiten, wurde dieser Tatsache bei der Materialauswahl Rechnung getragen. Die Öfen sind nebeneinander in Reihe aufgestellt. Stirnseitig besitzen sie je eine elekt­romotorisch betätigte Hubtür (Bild 5). Da die Öfen auch für einen Be­trieb unter Schutzgas (z. B. Stickstoff) geeignet sind, haben die Türen eine umlau­fende Dich­tung, in die die Schwerter der Andrückvorrichtung eingreifen. Durch eine pneumati­sche Andrückvor­richtung werden die Öfen abgedichtet. Die Andrückvor­richtung be­steht aus 4 Stück Hubzylindern, die jeweils auf der Ofendecke bzw. unter dem Ofen ange­ord­net sind. Eine Wartungseinheit und das 5/3-Wegeventil zur Steue­rung sowie die Druck­luftver­teilung sind auf der rechten Ofenseite angeordnet.  Nach dem Signal zur Tür­öffnung wird die Tür mit Hilfe der Zylinder nach vorn geschoben. Erst beim Er­reichen der Endlagen zieht ein Getriebebremsmotor die Tür nach oben. Die End­la­gen werden mittels induktiver Endschalter signalisiert. Zusätzlich sind in den Endlagen oben und unten Sicherheitsendschalter angeordnet, die den Antrieb beim Erreichen abschalten und ein Störsignal ausgeben. Die Öfen bestehen aus in einer stabilen Profilstahl-Blechschweißkonstruktion. In­nen­seitig sind die Öfen mit Blech ausgekleidet und dahinter  mit mehrlagigen Kera­mik­fasermatten und Mineralwollplatten isoliert. In die Ofenseitenwand ist ein großvolumiger Umwälzer eingebaut. Dieser saugt die Luft aus dem Ofenraum an und drückt sie nach oben in den Deckenkanal. Im De­ckenkanal ist ein Heizregister aus Elektro- Einschraubheizkörpern eingebaut. Am Ende des Deckenkanals befindet sich ein Fallkanal, dieser dient als Verteiler­kanal und ist mit Ausströmdüsen versehen.  Aus diesen strömt das erwärmte Um­wälzgas mit ho­her Ge­schwindigkeit horizontal durch die Charge.  Zur Regelung, Re­gistrierung und Über­wachung der Temperatur ist im Verteilerkanal ein Dreifach- Thermoelement mit sepa­ratem Prüfrohr eingeordnet. Die Regelung und die hohen Umwälzgeschwindigkeiten garantieren die Einhaltung der geforderten Temperaturtoleranzen von kleiner   3K. Die Lage des Thermoelements im Umwälzkanal sichert, dass es zu keiner Überhit­zung am Einsatzgut kommen kann. Der Umwälzventilator im Lösungsglühofen schaltet bei einer Temperatur oberhalb von 250 °C auf die höhere Drehzahl um. Da­durch wir die Luftumwälzleistung gesteigert, um die Temperaturgleichmäßigkeit zu erreichen. Im Auslagerungsofen wird in der Haltezeit bei Temperaturen unter 180 °C die Dreh­zahl des Umwälzers frequenzgeregelt, um die Temperaturkonstanz zu sichern. Zur Aufnahme der Chargen besteht der Ofenherd aus stabilen Stützen, die mit dem Ofenboden verschweißt und auf die oberen Längsträger aufgelegt sind. In die Gas­sen der Längsträger fahren die Zinken der Chargiermaschine, um die Charge im Ofen abzustellen bzw. aufnehmen zu können. Für die Messung der Chargentemperaturen ist in der Ofenrückwand des Lösungs­glühofens eine Arbeits­öffnung vorhanden. Nach dem Einsetzen einer Messcharge, die  mit Prüf­elementen versehen ist, können die Thermoelementanschlussleitungen über ein mittig angeordne­tes Rohr nach außen zu einem Tem­peraturmessgerät ge­führt werden. Vor der Entnahme der Char­gen müssen die Leitungen wieder entfernt werden, die Charge kann abge­schreckt oder ausgefahren werden. Die Funktion des Umwälzers wird durch eine Drucküberwachung kontrolliert, die in der Ofenseitenwand der Öfen eingebaut ist. Über ein in den Leitkanal geführtes Rohr wird der Druck mit Hilfe eines Druckmessgerä­tes überwacht. Fällt der Druck unter­halb dem eingestellten Grenzwert ab, erscheint am Regler eine Störmeldung. In die­sem Fall muss die ordnungsgemäße Funktion des Lüfters durch das Instand­hal­tungspersonal überprüft werden. Unmittelbar vor dem Lösungsglühofen auf Hallenniveau wurde das Wasserab­schreckbad (Bild 6) aufgestellt. Zur Sicherung einer kurzen Umsetzzeit vom Lö­sungsglühofen in das Abschreckbad wird die Ofentür in zwei Schritten aufgefahren. Zunächst öffnet sie nur ein kurzes Stück, so dass die Hubgabel der Chargierma­schine einfahren kann. Die Chargentemperatur im Ofen beeinflusst dieses so gut wie nicht. Steht die Hubgabel unter der Palette, öffnet die Ofentür ganz und das Einsatz­gut aus dem Lösungsglühofen über das Abschreckbad gefahren. Nach dem Errei­chen der Endstellung über dem Bad taucht die Charge mit Hilfe des Senkantriebes in das Abschreckbad ab. Durch diesen kurze Transportweg des Einsatzgutes aus dem Lösungsglühofen bis zum Eintauchen in das Abschreckbad erreicht die Anlage Umsetzzeiten von < 10 s. Das Abschreckbad besteht aus einer Profilstahlschweißkonstruktion mit innenliegen­dem Edel­stahlblechen und außenseitiger Wärmeisolierung . Die Wasserumwälzung erfolgt mit einem Umwälzaggregat mit Propeller und ei­ner innenliegenden Leiteinrichtung. In den beidseitigen Strömungskanälen wurde je ein Rohrbündelwärmetauscher eingebaut. Dieser dient sowohl zur Erwär­mung des Bades mit werkseitigem Heißwasser als auch zur Kühlung des Bades mit Kühlwasser. Beim Erreichen des minimalen Wasserstandes, z. B. durch Wasseraustrag mit der Charge, erfolgt eine automatische Befüllung des Bades mit Frischwasser. Die ver­brauchte Wassermenge wird mit Hilfe eines induktiven Durchflussmengenmessers erfasst und im Prozessregler angezeigt. Alle zur Regelung des Wasserbades erforderlichen Armaturen und Klemmkästen befinden sich an der beladeplatzseitigen Badwand und sind somit gut zugänglich (Bild 7). Nach erfolgtem Wärmebehandlungsvorgang kühlt die Charge in der Kühlkammer auf Handlingstemperatur ab. Die Kühlkammer besitzt 4 Stück Rohrventilatoren, die Hal­lenluft ansaugen und über die Charge blasen. Die erwärmte Luft verlässt die Kühl­kammer über eine Öffnung in der Decke. Die Kühlkammer besitzt zwei voneinander unabhängige Türen (Bild 3). Die eine be­findet sich innerhalb des Schutzzauns und wird über die Steuerung der Chargierma­schine geöffnet, wenn die Charge abgestellt werden soll. Gegenüberliegend befindet sich eine zweite Tür, die über einen Zweihand-Bedienkasten außerhalb des Schutz­zau­nes geöffnet werden kann. Nach dem Prozessende entnimmt der Anla­genbedie­ner die Charge durch diese Tür. Nach der Entnahme muss die Tür wieder verschlos­sen werden, da sonst aus Sicherheitsgründen keine weitere Charge in die Kühlkam­mer abgestellt werden kann. Beide Türen sind elektromotorisch betrieben. Die Positionen überwachen induktive End­schalter. Da Kühlkammer und Entladeplatz in einem Anlagenteil untergebracht sind, spart die­ses Aufstellfläche. Für jedes Anlagenteil wurde eine eigene Schaltanlage installiert. Die stehen an der Hallenwand in Reihe quer zur Anlage und sind wie folgt unterteilt: Schaltanlage für Lösungsglühofen und Wasserabschreckbad Schaltschrank für Auslagerungsofen Zentralschrank für Chargiermaschine und Kühlkammer Leitrechnerschrank. Jede Schaltanlage besitzt eine separate Stromeinspeisung mit Hauptschalter und kann für Reparaturzwecke abgeschaltet werden. Somit lassen sich alle Anlagenteile unabhängig voneinander betreiben. Die beiden Öfen besitzen je einen Prozessregler DE-VR 4008 (Fa. demig). Am Regler können Wärmebehandlungsprogramme erstellt, bearbeitet, gestartet und geändert werden. Am Zentralschrank für die Chargiermaschine befindet sich ein Bedientableau OP 7 zum manuellen Verfahren der Chargiermaschine zwischen den Anlagenteilen. Die Bedienungselemente der Kühlkammer beschränken sich auf das Einschalten der Kühllüfter und die Anzeige der Entladebereitschaft. Im Leitrechnerschrank ist ein PC mit Monitor, Tastatur und Maus eingebaut. Mit Hilfe der Leitrechnersoftware „prover/2“, Fa. demig, werden die Wärmebehandlungspro­gramme verwaltet, die Chargenanmeldung registriert, die Chargendaten für die Wärmebehandlung zusammengestellt und an die Öfen übertragen, die Chargenda­ten zur Dokumentation zusammengestellt und die Störmeldungen aufgezeichnet. Mit Hilfe dieser Software lassen sich Prozesse speichern und zu einem späteren Zeitpunkt reproduzieren. Für die Instandhaltung der Anlage können Störmeldun­gen z. B. nach Häufigkeit und Art auswertet werden. Die Chargenprotokolle geben Auskunft über die Chargendaten, die Verweildauer und Temperaturen in den jeweiligen Anlagenteilen, eventuell aufgetretene Störungen über den ge­samten Zeitraum vom Eintreten bis zum Verlassen der Anlage. Da die Anlage vollautomatisch betrieben wird, besitzt sie allseitig einen Schutz­zaun. In diesem Schutzzaun sind zwei Türen zum Begehen der Anlage integriert, die mit­tels EUCHNER – Schalter überwacht werden. Beim Betreten Anlage bleiben alle An­triebe stehen und fahren erst nach dem Schließen der Tür und der Störungsquit­tie­rung am Hauptschaltschrank weiter. Eine der beiden Türen ist zur Entnahme und Zufuhr von Ersatzteilen für Reparatur- und In­standhaltungszwecke konzipiert. Diese kann mit einem besonde­rem Schließ­sys­tem geöffnet werden und erlaubt somit unter anderem das manuelle Verfah­ren der Chargiermaschine für die Betriebsart Einrichten. Aufgrund der guten Testergebnisse nach der Inbetriebnahme wurde die Anlage jetzt zur produktiven Nutzung freigegeben. Sie dient sowohl zur Unterstützung der laufen­den Produktion als auch zur Erprobung neuer Verfahren der Wärmebehandlung von Aluminiumteilen. Durch den vollautomatischen Prozessablauf beschränken sich die Bedienhandlun­gen auf das Be- und Entladen der Anlage, die Prozessvorgabe (Chargenanmeldung) und die Chargenvorbereitung.