ERFOLGREICHE UMSTELLUNG VOM KUPOLOFEN ZUM INDUKTIONSOFEN

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13. November 2023

VON Dr. MARCO RISCHE, WOLFGANG BAUMGART, SEBASTIAN HAARDT, STEFAN SCHMITT

Die Umstellung von Kupol- auf Induktionsöfen ist ein entscheidender Schritt für Gießereien auf dem Weg zur Dekarbonisierung ihrer Produktion. Eine große Herausforderung ist dabei die Schrottqualität, die im Induktionsofen besser ist als im Kupolofen. ABP Induction und Zorc Technologies bieten hierfür speziell entwickelte Werkzeuge an, die einen optimierten Induktionsbetrieb des Ofens ermöglichen. In diesem Beitrag wird anhand praktischer Beispiele gezeigt, wie die Umstellung erfolgreich durchgeführt werden kann.

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Der umweltpolitische Druck zur Erreichung der Klimaziele für die Industrie nimmt stetig zu, nicht zuletzt durch die CO2-Steuer auf fossile Energieträger. Die industriellen Abnehmer von Kohle, Öl und Gas suchen allesamt nach alternativen Lösungen, um die mittelfristigen Umweltziele für eine CO2-neutrale Produktion zu erreichen. In einer Studie von Römheld & Moelle gaben alle befragten Unternehmen an, dass sie von ihren Lieferanten bis spätestens 2050 klimaneutrale Gussteile erwarten, wobei 21 % dies bis 2025 und 46 % bis 2030 planen [1].

ABP hat diesen Paradigmenwechsel zur CO2-Neutralität erkannt und setzt sich mit der Kampagne "Your Partner on the Way to Zero Emission" für dieses Ziel ein. Um der Forderung nach Dekarbonisierung gerecht zu werden, sieht ABP ein großes Potenzial darin, fossile Brennstoffe durch moderne Induktionsofentechnologien zu ersetzen, um ökologisch, ökonomisch und technisch unabhängig zu sein. Damit leisten die Anwender einen wesentlichen Beitrag zur Umsetzung der Ziele zur Dekarbonisierung energieintensiver Industrieanwendungen.

Bei der induktiven Erwärmung wird elektrische Energie verwendet. Bei diesem Verfahren wird die für den Prozess nötige Wärme direkt in das geschmolzene Material eingebracht. Das Verfahren ist effektiv und bei Verwendung von Ökostrom auch klimaneutral. ABP kann die gesamte Prozesskette für den Ersatz des konventionell beheizten Kupolofens planen und den Kunden auf dem Weg zur Umstellung auf eine elektrisch betriebene Induktionsofentechnologie unterstützen. Ergänzt wird dies durch digitale Tools und KI-Lösungen des ABP-Partners Zorc Technology.

Gießereien mit Kupolschmelzbetrieb - Status Quo & Herausforderungen

Wenn Gießereien die Umstellung von einem Kupol- auf einen Induktionsofen-Schmelzbetrieb in Erwägung ziehen, sind zwei grundlegende Herausforderungen zu berücksichtigen: Erstens bedeutet die Umstellung von einem Kupolofen auf einen Induktionsofen auch eine Änderung des Betriebs - von der permanenten Versorgung über den diskontinuierlichen Betrieb bis hin zum Chargenbetrieb. Die zweite Herausforderung ist die Schrottqualität. In Kupolschmelzbetrieben ist es nicht ungewöhnlich, dass auch schlechte Schrottsorten verarbeitet werden. Der Induktionsofenbetrieb kann dies nicht verkraften, weil die Kopplung dann deutlich schlechter wird. Dadurch wird es sehr viel schwieriger, wenn nicht gar unmöglich, einen Nutzungsgrad von 100 % zu erreichen. Wahrscheinlicher sind Auslastungsgrade von 60 %. Um diese Lücke so klein wie möglich zu halten, kommt es darauf an, wie das elektromagnetische Feld an den Schrott ankoppelt. Dies ist stark abhängig von der eingestellten Schrottqualität und den Parametern der elektrischen Energieversorgung.

Ein praktisches Beispiel: Dank der Umstellung von koksbefeuerten Kupolöfen auf Induktionsöfen (Abb. 1) kann ein großer Teil der Emissionen bei Römheld & Moelle durch eine Änderung des Energiemixes bewältigt werden. Ein spezieller Vertrag mit ihrem Energieversorger ermöglicht es der Gießerei, in den Jahren 2023 und 2024 100 % ihres Stroms aus Wasserkraft zu beziehen [2].

Abbildung 1: Römheld & Moelle Carbon Footprint in den Scopes 1 & 2.

Was bedeutet das vom metallurgischen Standpunkt aus gesehen? Im Kupolofen geschmolzenes Eisen hat verfahrensbedingt einen hohen Schwefelgehalt. Für die Herstellung von Gusseisen mit Kugelgrafit werden daher ein- oder zweistufige Verfahren zur Herstellung der gießfertigen Schmelze eingesetzt. Die Herstellung von Vermiculargraphit basiert jedoch durchweg auf zweistufigen Verfahren. In diesen zweistufigen Prozessen wird die erste Stufe zur Entschwefelung genutzt, wobei typischerweise Schwefelwerte von 0,06 bis 0,025 % erreicht werden. In der zweiten Stufe werden dann die Morphologie der Graphitphase und die Zusammensetzung der metallischen Matrix eingestellt, um die gewünschten mechanischen und physikalischen Eigenschaften des Werkstoffs im Bauteil zu erreichen (Abb. 2).

Abb. 2: Übersicht über die Vielzahl der möglichen Prozessschritte von den Schmelzaggregaten bis zum Werkzeug.

Die kontinuierliche Entschwefelung von Kupolofen-Eisen ist mit kalziumhaltigen Verbindungen möglich. Insbesondere die Verwendung von Kalziumkarbid als Entschwefelungsmittel ist eine weitere Option, die jedoch aufgrund von Umweltbelangen heute nur selten in Gießereiprozessen eingesetzt wird.

Zu den diskontinuierlichen Entschwefelungsverfahren gehören das Mg-Drahtspeiseverfahren und das moderne Kalkinjektionsverfahren, das vom Institut für Technologie der Metalle der Universität Duisburg-Essen unter der Leitung von Rüdiger Deike und der Werkstoffentwicklung der Firma Fritz Winter unter Federführung von Marc Walz entwickelt wurde [3], [4].

Um aus dem gewonnenen Roheisen eine gießfertige Schmelze herzustellen, wird in einem zweiten Schritt eine Behandlung mit Magnesium, Seltenen Erden und Impfmitteln durchgeführt. Etabliert haben sich vor allem die Drahteinspeisung und das Übergussverfahren. Bei modernen Drahtvorschubverfahren wird neben dem Magnesiumdraht auch ein Impfdraht verwendet, was zu einer dynamischen Impfung während der Behandlung führt. Der letzte Schritt auf dem Weg zur gewünschten Metallurgie ist das Impfen während des Gießprozesses. Diese Impfung kann mittels einer Gießstrahlimpfung oder einer Impfung im Gieß- oder Angusssystem erfolgen.

Anforderungen an einen modernen Induktionsofen-Schmelzbetrieb

Wie bereits oben beschrieben, kann ein moderner Induktionsofen nur mit hochwertigen Metallen und Schrott arbeiten. Deshalb empfehlen die Hersteller von Induktionsöfen in der Regel auch eine bestimmte Schrottsorte, mit der die Anlage betrieben werden sollte. Ansonsten kann aufgrund der schlechteren Ankopplung nicht die volle Leistung erzeugt werden. Ziel muss aber ein konstanter Leistungsbereich sein - idealerweise mit 100% Energieeinsatz über die gesamte Charge hinweg, um die Schmelzzeit und damit den Energieeinsatz zu minimieren und natürlich die Produktivität zu maximieren.

Die Kopplung des Induktionsofens hängt jedoch vom Lastkreis ab: Die Leistung des Geräts passt sich an die Masse des Ausgangsmaterials aufgrund seiner elektrischen und magnetischen Eigenschaften an. Die Verluste, die durch das Nachladen entstehen, müssen daher optimiert werden. ABP ermöglicht es, diese Vorgänge zu messen und zu bewerten und die Kunden bei der Dosierung zu unterstützen. Zu diesem Zweck setzt ABP das selbst entwickelte und patentierte OptiCharge-Tool ein (Abb. 3). Es misst die elektrischen Einflussgrößen, die zur Leistungsoptimierung notwendig sind. Diese Parameter werden mit dem aktuellen Gewicht verglichen und der Algorithmus ermittelt das geringstmögliche Gewicht, das notwendig ist, um den vollen Stromverbrauch zu erreichen. Das gewünschte Ergebnis ist eine kontrollierte Dosierung zur optimalen Anpassung des Gewichts an die Leistungsaufnahme über die gesamte Chargendauer. Wann immer die physikalischen Bedingungen es zulassen, kann eine Nachdosierung erfolgen. Dieses kalte Material koppelt aufgrund seiner ferromagnetischen Eigenschaften optimal, bis es diese am Curie-Temperaturpunkt bei 760°C verliert.

Abbildung 3: Klassische Leistungskurve eines Induktionsofens über eine einzelne Charge.

Die technischen Ofenparameter hierfür werden von der digitalen Umrichtersteuerung erfasst und mit dem OptiCharge-System in Handlungsempfehlungen für eine energieeffiziente Beladung umgesetzt. Beim Anfahren einer Charge mit Teilbefüllung von ferromagnetischem Schmelzmaterial werden kleine Portionen dieses Materials automatisch nachgefüllt. Dadurch lassen sich im täglichen Produktionsbetrieb messbare Energieeinsparungen und Produktionssteigerungen im Vergleich zu einer ungesteuerten Dosierung erzielen. Untersuchungen zeigen, dass Induktionsöfen im Vergleich zu Kupolöfen bereits heute weniger als die Hälfte der CO2-Emissionen zum Schmelzen einer Tonne Gusseisen verursachen. Steigt der Anteil des aus erneuerbaren Quellen erzeugten Stroms, sinken die CO2-Emissionen entsprechend.

Dieses System ist daher für den Übergang vom Kupolofen zum Induktionsofen enorm wichtig, um weiterhin eine hohe kontinuierliche Versorgung des Prozesses mit geschmolzenem Eisen zu gewährleisten. Hier reduziert OptiCharge die Leistungseinbrüche auf ein Minimum.

Der physikalische Hintergrund: Die Möglichkeit, im konstanten Leistungsbereich zu arbeiten, wurde dadurch geschaffen, dass es Thyristoren in verschiedenen Größen gibt und es sich eingebürgert hat, dass immer die nächstgrößere Größe verwendet wird, die über der gewünschten Ausgangsleistung liegt. So wird eine optimale Arbeitsweise erreicht. Das bedeutet aber auch, dass Strom und Spannung im Produkt mehr leisten können - die Ausgangsleistung selbst und ein gewisses Leistungsfenster darüber hinaus.

Das Prinzip funktioniert, wie die Lastkennlinien zeigen (Abb. 4): Wenn man den Induktionsofen mit voller Spannung betreibt und wenig Schrott im Ofen ist, paart sich wenig Material und man betreibt den Ofen mit geringer Leistung. Selbst wenn der Ofenbetreiber mehr Material hinzufügt und der Ofen halb voll ist, wird der Punkt von 100 % Leistung bei voller Spannung erreicht, und dass, obwohl nur 60 % des Stroms verbraucht werden. Wenn man mehr Material hinzufügt, koppelt es noch besser, verbraucht mehr Strom, und der Ofen braucht weniger Energie, um mehr Leistung in den Prozess zu bringen. Dies ist die Spannungsreserve, die trotz voller Leistung genutzt werden kann. In der Praxis wird jedoch manchmal über diesen Punkt hinaus Material zugegeben, da der Prozess dann einfacher wird, indem weniger häufig Material zugegeben werden muss und die Arbeitslast geringer ist. Dies ist jedoch nicht vorteilhaft für den Prozess, denn würde man die Befüllung des Ofens früher beenden, würde sich das zugeführte Material rasch erhitzen, da der Ofen schnell auf die Curie-Temperatur ankoppelt. Der Schrott verliert dann seine magnetischen Eigenschaften, die Kopplung wird schlechter - und der Betrieb wird zurückgeworfen. Jetzt braucht man wieder mehr Spannung, um den Strom zu erzeugen, um auf 100 % Leistung zu kommen. Da jedoch immer weniger Material magnetisch ist, nimmt der Strom weiter ab, während die Spannung auf ihrem Höchstwert liegt. Die Folge ist, dass die Leistung sinkt. Würde man stattdessen jetzt Material hinzufügen, hätte man weiterhin 100 % Leistung.

Abb. 4: Lastcharakteristik eines Induktionsofens, Auslegung eines Konstantstromrichters.

Dieses System ist für diejenigen, die von Kupolöfen auf Induktionsöfen umsteigen, unerlässlich, da diese Betriebe oft mit schlechteren Schrottqualitäten zurechtkommen müssen, was genau die Ursache für die Verschlechterung der Kupplung ist. Außerdem sind sie für ihre Prozesse auf eine schnelle Versorgung mit geschmolzenem Eisen angewiesen, weshalb ein Kontrollinstrument wie OptiCharge so wertvoll ist.

Umstellung des Schmelzvorgangs

Um besser einschätzen zu können, wie sich Verfahren mit Induktionsschmelzen von solchen mit einem Kupolofen als Schmelzaggregat unterscheiden, werden wir die Besonderheiten anhand von drei Verfahren aus der Praxis erläutern.

Beispiel 1: Bremsscheiben aus Gusseisen mit Lamellengraphit

Bei der Herstellung von gusseisernen Bremsscheiben mit Lamellengraphit kann der Kupolofen von seinem vorteilhaften Keimbildungszustand profitieren. Allerdings sind die Anforderungen an Bremsscheiben in den letzten Jahren erheblich gestiegen. So wird eine hohe Wärmeleitfähigkeit des Werkstoffs gefordert, die nur erreicht werden kann, wenn der Gusswerkstoff übereutektisch erstarrt. In vielen Fällen kann der dafür erforderliche Kohlenstoffgehalt nicht direkt im Kupolofen erzeugt werden, so dass eine Aufkohlung notwendig wird. Außerdem erfordern die Geräuschvorgaben zur Vermeidung von Quietschen bei modernen Bremsscheiben Kohlenstoffgehalte in engen Toleranzen, die nur durch Verdoppelung in einem Induktionsofen hergestellt werden können. All dies wird durch das Schmelzen in einem elektrischen Induktionsofen beseitigt (Abb. 5).

Abb. 5: Vergleichendes Verfahrensschema zur Herstellung von gusseisernen Bremsscheiben mit Lamellengraphit - oben mit dem Kupolofen als Schmelzaggregat, unten mit dem elektrischen Induktionsofen.

Die Herausforderung bei der Anwendung eines induktiven Schmelzverfahrens ist zum einen die dynamische Impfung, die durch das Anbringen eines Impfdrahtes in der Gießrinne technisch einfach zu realisieren ist. Strontium als inokulationswirksames Element ist hier das Mittel der Wahl. Eine weitere Schwierigkeit ist die Kontrolle von Mikroporositäten, die häufig an den Übergängen von Kappe zu Scheibe auftreten. Mikroporositäten bilden sich zwischen den Armen von großen Austenitdendriten. In diesem Zusammenhang hat sich der gezielte Einsatz von Lanthan im letzten Impfschritt als hilfreich erwiesen.

Beispiel 2: Gusseisenrohre aus Kugelgraphitguss

Gusseisenrohre mit Kugelgraphit werden im Schleudergussverfahren hergestellt. Dabei kühlt das Gussrohr an der Formwand ab und bildet Eisenkarbide. Da Eisenkarbid einen Kohlenstoffgehalt von 6,7 % hat, ist die Menge an freiem Graphit, die während der Erstarrung entsteht, stark reduziert. Folglich kann der freie Graphit der Schrumpfung beim Erstarren der flüssigen Phase nicht entgegenwirken. Dies hat den gewünschten Effekt: Das Gussrohr schrumpft und kann aus der Form genommen werden. Anschließend durchläuft das Rohr den Glühofen, wo sich das Eisenkarbid auflöst und der Graphit zu den Sphärolithen diffundiert. Das Rohr dehnt sich aus und erreicht seine endgültigen Abmessungen. Der ursprüngliche Ausgangszustand der Schmelzaggregate hat einen direkten Einfluss auf die Abmessungen des Bauteils.

Ein Kupolofen erzeugt einen schwankenden metallurgischen Zustand aufgrund unterschiedlicher Füllstände im Vorofen sowie wechselnder Metallurgie während der An- und Abfahrzyklen. Die daraus resultierende Dynamik des Nukleationszustandes erfordert beim Einsatz eines Kupolofens einen komplexen Regelkreis, während diese Regelung beim Schmelzen in einem elektrischen Induktionsofen wesentlich einfacher ist (Abb. 6).

Abb. 6: Vergleich von Prozessketten zur Herstellung von Gussrohren mit Kugelgraphit. Beim induktiven Schmelzverfahren werden Keimzustandsänderungen der nachfolgenden Abstiche durch dynamisches Impfen über einen Impfdraht als Zusatz zum Behandlungsdraht kompensiert. Dies führt zu einer geringen Abweichung der Messtoleranz.

Beispiel 3: Vermicularer Graphit

Gusseisen mit Vermiculargraphit findet sich im Antriebsstrang im Zylinderkopf, in den Zylinderkurbelgehäusen und in den Kupplungsscheiben. Dies ist ein Werkstoff für den Massenmarkt im Schwerlastverkehr. Das Material wird auch in Bremsscheiben für Hochgeschwindigkeitszüge verwendet.

Die Herstellung von Vermiculargraphit durch Zugabe von entschwefeltem Kupfereisen ist begrenzt, da die Begleitelemente aus dem Kupolofen oft die analytischen Endspezifikationen überschreiten können. Der Anteil an entschwefeltem Eisen kann je nach Spezifikation zwischen 30 und 70 % variieren. Bei der Verwendung dieses Materials kann der Kupolofen seine Stärke, den von Natur aus guten Keimbildungszustand, nicht effektiv nutzen. Die Bildung von Vermiculiten tritt bei starker Unterkühlung auf, während ein guter Keimbildungszustand aufgrund metallurgischer Faktoren automatisch zu Sphärolithen führt.

Der Regelkreis für die Herstellung von Vermikulargraphit modifiziert die Schmelze durch Zugabe von Magnesium, Cer-Mischmetall und Impfmittel. Dieser Regelkreis nutzt die Messwerte aus der thermischen Analyse der gießfertigen Schmelze und korrigiert über eine Rückkopplungsschleife rückwirkend die Stellgrößen der nächsten Schmelze. Die Schwankungen im Basiseisen, die durch die Zugabe von Kupol-Eisen verursacht werden, sind dabei eine Störgröße. Eine Umstellung auf vollständig im Induktionsofen geschmolzenes Eisen vereinfacht diesen Prozess erheblich (Bild 7).

Abb. 7: Vergleich der Prozessketten für die Herstellung von Bauteilen aus Gusseisen mit Vermiculargraphit. Das induktive Schmelzverfahren bringt deutlich weniger Eingriffe in den Regelkreis zur Herstellung der gewünschten Graphitmorphologie mit Mg/Cer-Mischmetall und Impfbehandlung.

Planung und Durchführung der Umstellung

Das Ingenieurteam

"Welche Abmessungen sollte unsere Schmelzanlage haben?" "Wie kann ich die Produktivität steigern?" "Welche Upgrades machen sich in Bezug auf die Kapitalrendite am schnellsten bezahlt? - All dies sind Fragen, die sich Gießereibetreiber bei der Umstellung von Kupolöfen auf Induktionsöfen stellen. Und es sind wichtige Fragen, denn sie sind oft mit hohen Investitionen verbunden oder können den Ertrag steigern. Um eine Schmelzanlage perfekt auslegen, skalieren und planen zu können, hat ABP den Meltshop Designer entwickelt. Dieser ermittelt, welche Lösung für den Materialfluss in der Gießerei die beste ist. ABP-Experten können in enger Abstimmung mit den am Prozess beteiligten Mitarbeitern des Kunden Simulationen für unterschiedliche Gießereisituationen entwickeln, Alternativen bei der Aufstellung des Ofens aufzeigen und verschiedene Konfigurationen von den Pfannen bis zur Befüllung der Formanlage einbeziehen.

Das Metallurgieteam

Das Metallurgieteam muss über Fachkenntnisse in der Gusseisenherstellung mit dem Induktionsofen sowie über Fähigkeiten zur Herstellung des gewünschten Keimbildungszustandes verfügen. Im Gegensatz zum Kupolofen wird dieser im Induktionsofen weitgehend synthetisch hergestellt. Das Metallurgieteam erstellt einen digitalen Doppelgänger der gesamten metallurgischen Prozesskette, um alle Prozessschritte im Vorfeld der Umstellung vom Kupol- auf den Induktionsschmelzbetrieb zu bewerten und zu optimieren.

Die Energieeffizienz des Induktionsschmelzens hängt entscheidend von der Reihenfolge der zu chargierenden Materialien und dem Zeitpunkt der Wiederbeschickung ab. Diese Faktoren fließen in die Wissensbasis des digitalen Doppelgängers ein, so dass die KI von Zorc Genesis die Chargenzusammensetzung und die Schmelzreihenfolge auf der Grundlage dieses Wissens berechnet. Um den optimalen Zeitpunkt für die Beschickung auf der Grundlage der aktuellen Kopplung und Curie-Temperatur zu bestimmen, hat ABP das bereits erwähnte patentierte Opticharge-Tool entwickelt.

Der synthetische Keimbildungszustand wird in mehreren Stufen erzeugt. Er beginnt im Ofen mit der Zugabe von Siliziumkarbid (SiC), dessen besondere Physik während des Auflösungsprozesses die Grundlage für den Keimbildungszustand bildet [5]. Der nächste Schritt zur Erreichung des gewünschten Keimbildungszustands für den Guss von Kugelgraphit und Vermiculargraphitlegierungen ist die Zugabe von Cer-Mischmetall (CerMM) und Kohlenstoff vor der Behandlung. Ceriumverbindungen haben eine hohe Dichte und gehen während des Behandlungsprozesses nicht verloren. Bei der Herstellung von dickwandigem Gusseisen muss natürlich berücksichtigt werden, dass Cerverbindungen zu unerwünschten Graphitformen bis hin zu stückigem Graphit führen können. Dies erfordert einen metallurgischen Spagat, bei dem durch Zugabe von Elementen wie Antimon oder Wismut ein Gleichgewicht geschaffen wird, das sich positiv auf die Graphitausscheidung auswirkt.

Die Verzahnung von Beratung und Produktion ist ein Kernmerkmal des Metallurgieteams. Die breite Erfahrungsbasis des Serviceteams ermöglicht es, das Produktionsteam umfassend zu schulen. Das Produktionsteam wiederum kennt die Gießereiprozesse genau und bringt einen großen Erfahrungsschatz mit, der in die Prozessplanung einfließen muss.

Die spezifische Umsetzung

Zeitplanung

Der Zeitplan für die Umstellung von einem Kupolofen auf eine Induktionsschmelzanlage ist die größte Herausforderung und erfordert einen strategischen Ansatz. Es ist eine Herausforderung für das Planungsteam, das für die Umsetzung verantwortliche ausführende Ingenieurteam und das Produktionsteam, die neu eingerichtete Prozesskette zu nutzen. Dabei muss der Zustand der bestehenden Produktionsumgebung mit allen integrierten Aggregaten auf die neu konzipierte Prozess- und Anlagentechnik unter Berücksichtigung aller Parameter und Einflussgrößen umgestellt werden.

Entwicklungsphase

Der Meltshop Designer wird in der Engineering-Phase eingesetzt, was seine Variabilität so wertvoll macht. Die ABP-Experten können alle Materialien simulieren, indem sie auf eine große Datenbank zugreifen oder neue Materialien einfügen. Auch verschiedene einmalige oder periodische Ereignisse können simuliert werden, zum Beispiel die Strombegrenzung, ein nicht gerade seltenes Problem, bei dem Energieversorger zu bestimmten Zeiten die Stromzufuhr reduzieren, wenn an anderer Stelle im Stromnetz gerade mehr Strom abgenommen wird. Die Grundlage für die Simulation sind Daten: Der Mehrwert ergibt sich aus der Analyse, die die ABP-Experten aufgrund der Verknüpfung der Informationen durchführen. Das Ergebnis der Simulation sind die Handlungsempfehlungen für den Wechsel vom Kupolofen zum Induktionsofen.

Die Genesis AI von Zorc arbeitet ebenfalls mit Daten und nutzt den digitalen Zwilling als Grundlage für die Steuerung von Prozessabläufen. In der Planungsphase wird sie eingesetzt, um die Prozesse im neu konzipierten Schmelzbetrieb zu simulieren und zu optimieren. Dies hilft, Engpässe frühzeitig im Planungsprozess zu erkennen und zu vermeiden.

Übergang der Metallurgie vom Kupolverfahren zum Induktionsschmelzen

Solange der Kupolofen noch aktiv ist, werden Messungen des metallurgischen Zustands mittels thermischer Analyse, Spektrometrie und Verbrennungsanalyse durchgeführt. Hier ist die genaue Zuordnung der Daten wichtig, um eine Verbindung zu den erhaltenen mikrostrukturellen und mechanischen Eigenschaften herzustellen. Dies wird durch die von Zorc entwickelte serviceorientierte Software Foundry Cloud ermöglicht. In der modernen Thermoanalyse werden Doppelkammertiegel eingesetzt, um die Endstromimpfung oder die Gusssteinimpfung zu simulieren.

Die in dieser Phase gewonnenen Daten dienen einerseits dazu, die Zielparameter für den neuen Schmelzprozess so zu definieren, dass die Kernparameter der Schmelze während der Umwandlung stabil bleiben oder sich verbessern, um einen möglichst reibungslosen Übergang bei der Weiterverarbeitung der Bauteile zu gewährleisten. Diese Phase sollte etwa vier Wochen dauern, um alle metallurgischen Bedingungen abzudecken. Wenn der Induktionsschmelzprozess hochgefahren wird, dauert es in der Regel weitere vier Wochen, bis alle Aspekte des neuen Prozesses korrekt im digitalen Zwilling abgebildet sind.

Werkzeuge zur optimalen Planung und Steuerung eines modernen Produktionsprozesses

Wie wird die Metallurgie gesteuert und wie werden die Transportlogistik sowie die Schmelzebehandlung und die Gießanlagen gesteuert? Beides lässt sich in einem Satz beantworten: mit der Zorc Genesis AI, deren Know-how in einen digitalen Zwilling integriert ist. Der digitale Doppelgänger spiegelt den Chargier- und Schmelzprozess wider, indem er die physikalischen Vorgänge im Ofen in einer virtuellen Umgebung nachbildet. Dabei berücksichtigt er das Gießen sowohl in den Chargiermulden als auch im Ofen selbst. Es simuliert den Sauerstoffhaushalt und die Dynamik der Keimbildungselemente. Es beschreibt auch den Energiefluss im Induktionsschmelzofen, einschließlich der Kühlleistung.

Während des Gieß- und Transportprozesses verfolgt er die Wechselwirkungen mit der Umgebung (Luftsauerstoff) und berechnet die Wärmeabgabe durch Konvektion und Strahlungswärme. Der digitale Doppelgänger verfügt über ein umfassendes Wissen über die Physik und Chemie der Drahtvorschubprozesse sowie der Übergießprozesse und simuliert die damit verbundenen Keimbildungsprozesse. Im Gieß- und Erstarrungsprozess führt der Zwilling simulationsbasierte Analysen durch, um die Auswirkungen der Schmelzezusammensetzung und des Keimbildungszustands auf die Bauteileigenschaften zu ermitteln. Darüber hinaus behält der digitale Doppelgänger auch scheinbar alltägliche Prozesse im Auge: Er berechnet die Dauer einer Staplerfahrt, erkennt Engpässe beim Abstich des Eisens und berücksichtigt die Pausenzeiten der Staplerfahrer.

Datenquellen für den digitalen Zwilling

Um seine Prognosen mit der aktuellen Ist-Situation vergleichen zu können, benötigt der Digitale Doppelgänger Informationen über den aktuellen Stand der Produktion. Die "Sinne" des Digitalen Zwillings sind die Messgeräte in der Produktionsumgebung. Traditionelle Messgeräte wie Spektrometer ermitteln die Schmelzzusammensetzung, Temperaturmesslanzen und Pyrometer messen die Badtemperatur. Methoden wie die Thermoanalyse erfassen die Dynamik des Erstarrungsprozesses und lassen Rückschlüsse auf den Keimbildungszustand und die Morphologie des Graphits zu.

Systeme wie das Zorc Track & Trace werden eingesetzt, um die Position von Gabelstaplern auch in Hallen mit "Indoor-GPS" zu bestimmen sowie die Position der Pfanne im Prozessablauf zu verfolgen. Serviceorientierte Software wie die Foundry Cloud stellt alle notwendigen Dienste bereit, um Datenquellen wie Messgeräte, SPS-Systeme oder IoT-Geräte auszulesen und in eine strukturierte Datenbank zu überführen.

Und was macht die KI? Produktionsplanung und Prozesssteuerung

Die KI hat die Aufgabe, die nächsten Schritte kurz-, mittel- und langfristig zu planen, um die gestellten Aufgaben im Produktionsprozess effektiv zu lösen. Ähnlich wie ein Schachcomputer sucht sie nach der optimalen Strategie. Die Art und Weise, wie die Aufgabe formuliert ist, kann den Charakter der Produktion beeinflussen. Es geht um die Frage, ob die Kostenpriorität höher ist als die Termintreue oder umgekehrt. All diese Faktoren können mit Hilfe von Parametern eingestellt werden. Die künstliche Intelligenz berechnet optimale zukünftige Bahnen und entwickelt dabei einen Plan, der Ressourcen wie Arbeit, Energieverbrauch, Stromkosten usw. berücksichtigt.

Interaktion mit Prozessverantwortlichen und Mitarbeitern

Die KI von Zorc Genesis erstellt einen Arbeitsablaufplan auf die gleiche Weise, wie ein Navigationssystem eine Route vorschlägt. Analog zu einem Navigationssystem ist der Planer nicht verpflichtet, sich strikt an diesen Plan zu halten. Stattdessen kann er davon abweichen. Die Genesis-KI berechnet dann einen angepassten Workflow basierend auf der neuen Situation.

Aufgaben innerhalb der Workflows werden über die Foundry Cloud mobil oder stationär an die Mitarbeiter verteilt. Das Feedback nutzt die Genesis-KI, um den aktuellen Status der Produktion zu erfassen und Arbeitsabläufe dynamisch an abweichende Situationen anzupassen. Ein selbstoptimierender Prozess: Durch die oben beschriebene Vorgehensweise generiert die Produktion innerhalb von FoundryCloud Daten, die zur Verfeinerung aller Aspekte des Digital Twin verwendet werden. Dies wiederum ermöglicht es der Genesis AI, alle Aspekte der Produktion weiter zu optimieren und gleichzeitig aus den Erfahrungen der Mitarbeiter zu lernen.

Zusammenfassung

Um die Dekarbonisierungsziele zu erreichen, ist die Umstellung der Betriebe von fossilen Brennstoffen auf eine nahezu CO2-neutrale Produktion von großer Bedeutung. Wie können Gießereien mit Kupolbetrieb der Forderung nach Dekarbonisierung gerecht werden? Für die Experten von ABP Induction und Zorc Technology liegt die Lösung darin, vom Kupolofenbetrieb auf den Induktionsofenbetrieb umzustellen und die Prozesse mithilfe digitaler Tools unter Einbeziehung von KI zu steuern. Beim Betrieb mit hochwertigem Schrott bietet der Induktionsofen klare Vorteile, und zusätzliche Werkzeuge wie ABP OptiCharge und der ABP Meltshop Designer können die Produktionskapazität und den Durchsatz erhöhen und die Energieeffizienz verbessern. Die Flexibilität der Produktion bei hohen Qualitätsanforderungen ist mit Hilfe einer dynamischen Produktionsplanung und -steuerung mittels Digitalisierung erreichbar. Der Einsatz von Zorc Genesis AI stellt die nächste Evolutionsstufe dieser Systeme dar und wird zu einer Effizienzsteigerung auch in komplexen Produktionssituationen führen.

https://abpinduction.com
www.zorc-technology.com

Quellen

[1] Castings, show me your footprint! In: Foundry Planet, retrieved from: https://www.foundry-planet.com/d/castingsshow-me-your-footprint/

[2] A big step towards a small footprint. In: Foundry Planet, retrieved from: https://www.foundry-planet.com/d/abig-step-towards-a-small-footprint/

[3] M. Walz, R. Deike, EKALGU- Automatisierte Einblasanlage zur kalkbasierten Entschwefelung und Legierungseinstellung von Gusseisen, Herausgeber: Bundesministerium für Bildung und Forschung, 2020, retrieved from: https://r-plus-impuls.de/rplus-de/verbundprojekte/projekte/abgeschlossen/ekalgu.php

[4] Deike, R.; Brümmer, A.; Kahrl, A.; Smaha, B.; Walz, M.; Hentsch, R.; Baumgart, W.; Boenkendorf, U.: SubMag – Substitution von Magnesium bei der Entschwefelung von Gusseisen, in Innovative Technologien für Ressourceneffizienz – Strategische Metalle und Mineralien-Ergebnisse der Fördermaßnahme r³ (Hrsg. A. Dürkoop, C. P. Brandstetter, G.Grabe, L. Rentsch), Fraunhofer Verlag, Stuttgart, 2017, (ISBN: 978-3-8396-1102-9)

[5] Semleit, T., Adhiwiguna, I., Wijaya, J., Deike, R.: Investigation of silicon carbide dissolution behavior in molten cast iron under specific consideration of the formation of reaction layers, GIESSEREI Special 01/2021, 46-53, retrieved from https://doi.org/10.17185/duepublico/77012