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15.10.2008

Energiesparpotential beim induktiven Schmelzen und Gießen von Gusseisenwerkstoffen - Teil 2

Dr.-Ing. Wilfried Schmitz, Dr.-Ing. Dietmar Trauzeddel, Otto Junker GmbH, Simmerath

Teil 2: Vorteile einer neu entwickelten Spulenkonstruktion, Einsparungen bei Transport und Verteilung der Schmelze und beim Gießen

Einleitung

Der tatsächliche Energieverbrauch beim Schmelzen, beim Transport und der Verteilung der Schmelze und beim Gießen wird zum einen von der jeweiligen Anlagentechnik und zum anderen von den konkreten Einsatzbedingungen und der Betriebs- und Fahrweise bestimmt. Hinsichtlich der Energieeinsparung gibt es daher zwei grundsätzliche Möglichkeiten der Einflussnahme: Zum einen gilt es, in der Phase der Konstruktion und Planung die elektrischen und thermischen Verluste der Anlagen durch technische Maßnahmen zu reduzieren sowie die am besten geeignete Anlagenkonfiguration auszuwählen. Zum anderen muss angestrebt werden, dass jeder Zusatzenergiebedarf aufgrund ungünstiger Fahr- und Betriebsweise vermieden wird.

Für eine deutliche Senkung der anlagenbedingten Verluste der Induktionsschmelzöfen ist an den Spulenverlusten anzusetzen, da sie den Energieverbrauch entscheidend bestimmen. Neueste Entwicklungen haben zu einer Spulenkonstruktion geführt, die eine Steigerung des Wirkungsgrades der Spule ermöglicht.

Auch die nachfolgenden Prozesse – das Abgießen, der Transport und das Gießen der Schmelze, einschließlich eventueller metallurgischer Behandlungen außerhalb des Ofens – sind unter Umständen mit erheblichen Temperatur- und damit Energieverlusten verbunden. Entsprechende Optimierungen bieten auch hier gute Möglichkeiten der Erhöhung der Energieeffizienz.

Spulenwirkungsgrad und Energieverbrauch

Die Ohm´schen Verluste der Induktionsspule beeinflussen entscheidend den Ofenwirkungsgrad und damit den Energieverbrauch einer Induktionsofenanlage. Bei Mittelfrequenzschmelzanlagen liegen die Spulenverluste nach heutigem Stand der Technik in der Größenordnung bis zu 15 % beim Schmelzen von Gusseisen und bis zu 30 % beim Schmelzen von Kupfer, bezogen auf die zugeführte Energie.

Der Ohm´sche Widerstand – und damit die Verluste – ist zum einen vom Spulenmaterial und der Arbeitstemperatur der Spule abhängig. Zum anderen bestimmen geometrische Parameter wie die stromführende Querschnittsfläche die Größe des Ohm´schen Widerstandes und somit die Stromdichte und die Verluste der Ofenspule. Je kleiner die effektive Querschnittsfläche ist, die den Strom führt, desto höher sind die Verluste.

Da für das Spulenprofil hoch reines Kupfer zum Einsatz kommt und ein Material mit einem niedrigeren spezifischen elektrischen Widerstand, so zum Beispiel Silber, wirtschaftlich nicht in Frage kommt, sind über diesen Weg keine Verlustreduzierungen realistisch. Auch Überlegungen, mit einer tiefgekühlten Spule zu arbeiten und damit den bei tieferen Temperaturen geringeren spezifischen Widerstand bis hin zum Effekt der Supraleitfähigkeit zu nutzen, sind nicht bzw. zurzeit nicht umsetzbar. Deshalb blieb nur der Weg übrig, die stromführende Fläche der Spule durch geeignete Maßnahmen zu erhöhen und damit die Stromdichte und die Ohm´schen Verluste zu senken, um weitere nennenswerte Energieeinsparungen zu erreichen.

Die Spulenverluste werden maßgeblich von der Stromdichte und ihrer Verteilung bestimmt. Entsprechend der Gleichung

steigen die Verluste mit höherer Stromdichte exponentiell an. Deshalb besteht ein grundsätzlicher Lösungsansatz darin, die Stromdichte durch Vergrößerung der stromführenden Fläche zu senken. Idealerweise ist eine möglichst homogene Stromdichteverteilung in der Spule anzustreben [1]. Dies klingt einfach, ist aber schwierig zu erreichen, da sich der Strom nicht gleichmäßig über den gesamten Querschnitt verteilt. Entsprechend den allgemein bekannten Gesetzmäßigkeiten der Stromverdrängung konzentriert sich der Strom auf einer kleinen Fläche, und zwar auf der dem Schmelzgut zugewandten Seite des Spulenprofils.

Bild 1 demonstriert diese Gesetzmäßigkeit an einem Berechnungsbeispiel. Es zeigt die Stromdichteverteilung im Spulenprofil einer Hochleistungsspule für einen 8-t-Ofen mit einer Nennleistung von 8000 kW und einer Nennfrequenz von 250 Hz. Während in der dem Schmelzgut abgewandten Seite der Spule kein Strom fließt, wird der gesamte Strom im vorderen Bereich geführt. Auch in diesem Bereich liegt ein hoher Gradient der Stromdichteverteilung vor: In der äußersten Randzone treten Werte bis über 80 A/mm² auf, im Kernbereich liegen sie bei ca. 20 A/mm².

Eine einfache Vergrößerung des leitenden Spulenquerschnittes ergibt folglich noch keine Lösung. Eine spezielle Spulenkonstruktion musste entwickelt werden, um die Verteilung des Stroms auf eine größere Fläche zu erreichen. Dabei musste gleichzeitig berücksichtigt werden, dass der Abstand zwischen stromführender Fläche und Schmelzgut nicht zunimmt, damit keine daraus resultierende Verschlechterung des Spulenwirkungsgrades eintritt und den gewünschten Einspareffekt teilweise wieder kompensiert.

Auf der Basis der obigen Überlegungen gelang es, eine Spulenkonstruktion zu entwickeln, bei der gegenüber der Normalspule die effektiv stromführende Fläche deutlich erhöht werden konnte, was eine Reduzierung der Ohm´schen Spulenverluste zur Folge hat. Dies wurde zunächst in zahlreichen praktischen Vorversuchen verifiziert.

Dabei ist grundsätzlich festzustellen, dass sich – wie bereits oben erwähnt – die Spulenverluste und damit natürlich auch der Gesamtwirkungsgrad von Induktionstiegelöfen in Abhängigkeit vom elektrischen spezifischen Widerstand des zu schmelzenden Metalls stark unterscheiden. Werden beim Schmelzen von Gusseisen und Stahl Gesamtwirkungsgrade von 75 % erreicht, liegt der Wirkungsgrad beim Schmelzen von Aluminium bei 65 % und bei Kupfer beträgt der Wert nur 55 % [2], bezogen auf eine herkömmliche Spulenkonstruktion. Dementsprechend können beim Einsatz einer Energiesparspule nach obigem Prinzip für die verschiedenen Metalle unterschiedliche Einspargrößen realisiert werden, die größten Einsparungen damit beim Einsatz im Kupferbereich.

Im Mittelpunkt der Konstruktion und Fertigung von Ofenspulen in energiesparender Ausführung stand gleichrangig die Anforderung, eine hohe Zuverlässigkeit und Standzeit des Bauteils zu gewährleisten. Deshalb wurde die neue Spulenkonstruktion vor dem industriellen Einsatz zunächst in mehreren Langzeittests im Technikumsmaßstab ausgiebig erprobt. Danach wurde die neue Spule in der zur Otto Junker GmbH gehörenden Stahlgießerei in einem Induktionstiegelofen unter Produktionsbedingungen eingesetzt.

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1,5-t-Ofen zum Schmelzen von Stahlguss

Für das Schmelzen einer Vielzahl unterschiedlicher hoch legierter Stahlgussqualitäten stehen in der Edelstahlgießerei der Otto Junker GmbH mehrere Induktionstiegelund Vakuuminduktionsöfen zur Verfügung. Bei der anstehenden Modernisierung einer der Ofenanlagen kam die neu entwickelte Energiesparspule zum Einsatz. Dabei handelt es sich um eine 1,5-t-Ofenanlage mit einer Nennleistung von 1000 kW und einer Betriebsfrequenz von 150 Hz.

In Verbindung mit einer modernen IGBT-Umrichteranlage in Duomelt-Technik mit einer Gesamtleistung von 1400 kW für zwei Öfen und einer maximalen Leistung von 1000 kW pro Ofen wurde Mitte 2004 ein Ofen mit der neuen Energiesparspule ausgerüstet. Bild 2 zeigt den Ofenkörper mit der eingebauten Spule. Die Ofenanlage wird einschichtig betrieben und die Abstichtemperatur der Chargen liegt bei bis zu 1650 °C. In dem Ofen, der mit der neuen Spule ausgerüstet wurde, werden unter sehr konstanten Bedingungen ausschließlich ferritische Stähle geschmolzen, so dass ein exakter Vergleich des Energieverbrauches zwischen Normalspule und Energiesparspule möglich ist. In diesem direkten Vergleich konnte bei Langzeitmessungen eine Energieeinsparung von 5 % ermittelt werden. Auch die Chargenzeiten wurden entsprechend verkürzt. Aufgrund dieser positiven Ergebnisse wurde Mitte 2005 auch in dem zweiten 1,5-t-Ofen der Anlage eine derartige Spule eingebaut.

Inzwischen sind die Spulen seit vier bzw. drei Jahren im ununterbrochenen Einsatz.

Schmelzanlage für Kupferwerkstoffe

Bei einem renommierten Hersteller von Kupferhalbzeugen wurde ein 24 t fassender Netzfrequenztiegelofen mit einer Energiesparspule ausgerüstet. Da dort weitere Öfen der gleichen Baugröße mit Normalspulen im Einsatz sind, konnte ein direkter Vergleich des Energieverbrauches angestellt werden.

Mit der neuen Spulenkonstruktion konnte in ersten vergleichenden Versuchen für das Überhitzen der Kupferschmelze eine Energieeinsparung von 9 % erreicht werden, ein Wert, der sich recht genau mit den theoretischen Berechnungen deckt. Wie bereits erwähnt, weist die neue Spule gegenüber der Normalspule eine deutlich höhere stromführende Fläche auf, in diesem Falle 160 % der Normalausführung. Und dies, ohne dass eine wesentliche Zunahme des Kupferprofileinsatzes für die Spule erforderlich wurde; sie beträgt gegenüber der Normalspule nur 10 %.

Die Energiesparspule ist seit mehreren Monaten in ununterbrochenem Produktionseinsatz. Zurzeit werden für unterschiedliche Kupferlegierungen entsprechende Vergleichsdaten gesammelt und ausgewertet.

Eine weitere Spule dieser Bauart ist zum Zeitpunkt der Erstellung dieses Beitrages in einem 8 t fassenden Ofen mit einer Leistung von 8000 kW zum Schmelzen von Gusseisen in Betrieb gegangen. Über die Ergebnisse und Erfahrungen wird demnächst berichtet.

Warmhalten und Transport

Soll die Schmelze auf konstanter Temperatur warmgehalten werden, so sind die thermischen Verluste des Ofens durch die Zufuhr von Energie auszugleichen. Die Verluste setzen sich aus der Strahlungswärme der Schmelzeoberfläche und dem Wärmedurchgang durch die Tiegelwand zusammen. Da das Verhältnis von wärmeabführender Oberfläche zum Gesamtvolumen mit steigender Ofengröße kleiner wird – analog zum Modul eines Gussstückes – nimmt der spezifische Warmhaltewert mit steigendem Fassungsvermögen deutlich ab. So beträgt der spezifische Warmhaltewert eines 2-t-Ofens immerhin 48 kW/t, dagegen liegt er bei einem 20-t-Ofen nur noch bei 15 kW/t.

Diese Werte beziehen sich auf Ofenanlagen mit geschlossenem Ofendeckel. Sie steigen sehr schnell auf den 2- bis 3-fachen Wert an, wenn mit offenem Deckel gearbeitet wird und sinken dann auch wesentlich langsamer mit steigender Ofengröße ab (Bild 3).

Natürlich kann das Warmhalten und Speichern des flüssigen Metalls auch in einem Rinnenofen erfolgen, der einen noch geringeren Warmhaltwert bei gleichzeitig besserem elektrischem Wirkungsgrad aufweist. Allerdings rechtfertigt sich der Einsatz eines Rinnenofens in einem elektrischen Schmelzbetrieb nur dann, wenn ein Zwischenspeicher als Puffer zwingend notwendig wird oder wenn das Eisen für sehr große Gussteile aus mehreren Schmelzchargen gesammelt werden muss. Aber auch in diesen Fällen wird zunehmend, wegen der höheren Flexibilität, ein Tiegelofen mit großem Fassungsvermögen eingesetzt.

Nicht unerheblich sind die Temperaturverluste bei der Verteilung und dem Transport der Schmelze zum Gießplatz. Dazu kommen noch die Auswirkungen von metallurgischen Behandlungen außerhalb des Schmelzofens, wie es z. B. bei der Herstellung von Gusseisen mit Kugelgraphit der Fall ist.

Erfahrungsgemäß muss man bei jedem Umschütten des Eisens mit einem Temperaturverlust rechnen, der mit steigender Abgusshöhe und niedriger Gießleistung zunimmt. Für das Abgießen aus dem Induktionsofen in die Transportpfanne bedeutet das: Die Pfanne so dicht wie möglich an die Ofenschnauze heranführen und zügig abgießen, um einen zu hohen Temperaturverlust zu vermeiden. In der Praxis muss mit einem Temperaturverlust von 20 bis 40 K beim Abstich eines mittelgroßen Tiegelofens gerechnet werden. So wurde in der Otto Junker Gießerei beispielsweise ein Temperaturverlust von 20 bis 25 K beim Abgießen eines 2-t- Ofens in eine vorgewärmte Stopfenpfanne gemessen [3].

Hinzu kommt der Energieverlust beim Speichern des flüssigen Metalls in der Pfanne während des Transport- und Gießprozesses. In einer Gießpfanne in Tiegelform (ohne Deckel) ist bei einem Fassungsvermögen von 2 t mit einem Temperaturabfall von ca. 5 K/min zu rechnen. Damit verliert man bei einer unnötigen Haltezeit von 10 min 50 K; die entsprechende Überhitzung im Ofen würde immerhin zusätzliche 20 kWh/t erfordern. Messungen für diesen Pfannentyp zeigen, dass die Temperaturdifferenz bei einem Transportweg von 10 m und dem Abguss von 8 Gussteilen von je 125 kg zwischen dem ersten und den letzten Abguss 50 K betragen kann. Der gesamte Temperaturverlust, bezogen auf die Abstichtemperatur, liegt in diesem Fall somit in der Summe bei 80 K [4].

Je schlanker eine offene tiegelförmige Pfanne ist, desto niedriger sind die Verluste, da die abstrahlende Metalloberfläche bei gleichem Volumen kleiner ist. Auch mit zunehmendem Fassungsvermögen nimmt der Temperaturverlust deutlich ab, so liegt er bei einer 4-t-Tiegelpfanne nur noch bei ca. 4 K/min (Bild 4). Ein Reduzierung des Temperaturverlustes kann schon durch einfache Mittel erreicht werden: Kommt eine Trommelpfanne zum Einsatz, so beträgt der Temperaturabfall entsprechend Bild 4 nur 1,5 K/min. Auch der Einsatz eines Pfannendeckels bringt eine deutliche Reduzierung des Temperaturverlustes.

Natürlich kann der Temperaturabfall in der Pfanne auch durch eine bessere thermische Isolierung – entweder durch die Wahl einer dickeren Auskleidung oder eines Zustellmaterials mit geringerer Wärmeleitfähigkeit – minimiert werden. Allerdings sind die erhöhten Aufwendungen dafür zu berücksichtigen. Dass sich eine gute Vorwärmung der Pfanne und eine ausreichende Trocknung der Zustellung unter dem Strich auszahlen, soll nicht unerwähnt bleiben.

Bei längeren Transportwegen ist wegen der geringeren spezifischen Verluste eine größere Pfanne vorzuziehen, wobei am Gießplatz dann das Umfüllen in kleinere Pfannen erfolgt, um in der Summe die geringsten Verluste zu erreichen und die Gießtemperatur in erforderlicher Höhe zu halten.

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Mit der zunehmenden Automatisierung der Formherstellung und der Forderung nach sehr engen Qualitätstoleranzen wird der Einsatz von Gießöfen und Gießeinrichtungen immer notwendiger. Der Einsatz druckbetätigter Gießöfen ermöglicht insbesondere:

  • die Automatisierung des Gießprozesses,
  • das Warmhalten und Überhitzen,
  • die Einhaltung einer gleichmäßigen Gießtemperatur,
  • den Analysenausgleich,
  • die längere Speicherung von magnesiumbehandelter Schmelze.

Gleichzeitig wird dabei eine deutliche Energieeinsparung erreicht durch:

  • die Reduzierung der Temperaturverluste durch Minimierung der Umschüttvorgänge,
  • die geringere Menge an Rest- und Spritzeisen,
  • die Senkung der organisatorisch bedingten Ausfallzeiten und
  • die bessere und kontinuierlichere Nutzung der Schmelzkapazität.

Der statische Temperaturverlust des flüssigen Eisens in einem Gießofen mittlerer Größe liegt mit weniger als 1 K/min sehr niedrig und dementsprechend wird eine geringe Energiemenge zum Warmhalten benötigt. Verglichen mit dem Temperaturverlust in einer üblichen Tiegelpfanne von durchschnittlich 3 bis 4 K/min, reduziert sich der Temperaturverlust bei einer Haltezeit von 30 min von 90 bis 120 K auf 30 K. Damit wird die Energie für den Ausgleich des höheren Temperaturverlustes eingespart: 60 bis 90 K weniger ergeben einen Vorteil von 24 bis 36 kWh/t.

Auch wenn die Temperaturverluste beim Transport und der Verteilung des flüssigen Eisens bei Einsatz eines richtig dimensionierten Gießofens reduziert werden, sollte die Installation eines Gießofens deshalb nicht dazu führen, dass sorglos mit den vorher beschriebenen Temperaturverlusten umgegangen wird.

Zusammenfassung

Neueste Entwicklungen haben zu einer Spulenkonstruktion geführt, die eine grundsätzliche Steigerung des Wirkungsgrades der Spule und damit eine nennenswerte Energieeinsparung ermöglicht. Derartige Spulen befinden sich in der industriellen Erprobung, erste Langzeitmessungen des Energieverbrauches bestätigen die theoretischen Erwartungen.

Es ist festzuhalten, dass der Verteilung, dem Transport und dem Vergießen des flüssigen Eisens wesentlich mehr Aufmerksamkeit geschenkt werden muss, um eine hohe Gussqualität mit geringem Energieaufwand zu gewährleisten. Schon mit einfachen Mitteln kann eine Energieeinsparung erreicht werden.

Es macht wenig Sinn, den Schmelzprozess mit viel Mühe hinsichtlich des Energieverbrauchs zu optimieren, wenn im anschließenden Gießbetrieb die eingesparte Energie wieder verschenkt wird.

Literatur:
[1] Zgraja, J.; Eggers, A.: elektrowärme international 48 (1990) B 3, B 107-B 114.
[2] Schmitz, W.; Trauzeddel, D.: World of Metallurgy – Erzmetall 58 (2005), S. 281-285.
[3] Sicheres und energiesparendes Schmelzen im Mittelfrequenztiegelofen. Otto Junker GmbH, 2005.
[4] Neumann, F.: Gusseisen. Expert-Verlag, Renningen-Malmsheim 1999.