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Vollautomatische Kammerofenanlage

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Vollautomatische Kammerofenanlage

Vollautomatische Kammerofenanlage mit Auslagerungsofen


Zusammenfassung

Von der Firma PADELTTHERM® GmbH wurde eine vollautomatische Kammerofenanlage zur Wärmebehandlung von Aluminiumteilen im Technologiezentrum 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 Anlagendurchlaufs. Nach Beendigung der Wärmebehandlung und Abkühlung auf Handlingstemperatur kann der Ofenbediener das Einsatzgut entnehmen sowie das dazugehörige Wärmebehandlungsprotokoll ausdrucken. Im Lösungsglüh- und Auslagerungsofen wird eine Temperaturgleichmäßigkeit von < 3 K über den gesamten Chargenraum von 1.000 x 1.000 x 900 mm erreicht. Die kurze Umsetzzeit zwischen Lösungsglühofen und Abschreckbad ermöglicht optimale Vergüteergebnisse.

Vorbetrachtung

Eigenschaften und Verbesserungspotenzial von Aluminium

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 Silizium, Magnesium und anderen wesentlich erhöht werden kann. Eine weitere Maßnahme ist die gezielte Wärmebehandlung von Teilen aus legiertem Alu-Guss. Durch diese können die Zugfestigkeit, die Streckgrenze und die Bruchdehnung entscheidend verbessert werden.

Wärmebehandlung von Aluminium – Anforderungen vonseiten der Automobilindustrie

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. Beim 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.

Vonseiten der Automobilhersteller wird zur Qualitätssicherung für diese anspruchsvolle Wärmebehandlung eine absolute Reproduzierbarkeit des Prozesses gefordert. Die benötigte Ofenanlage muss folgende technische Parameter erfüllen:

  • sehr genaue Temperaturführung im Lösungsglüh- und Warmauslagerungsofen
  • hohe Temperaturgleichmäßigkeit der gesamten Charge innerhalb beider Prozessabschnitte
  • minimaler Temperaturabfall beim Umsetzen der Charge vom Lösungsglühofen in das Abschreckbad
  • Einhaltung der technologisch erforderlichen Abschrecktemperatur
  • intensive Abschreckung der Charge im Wasserbad

Vollautomatische Vergüteanlage von PADELTTHERM

Die PADELTTHERM® GmbH bekam 2004 vom Technologiezentrum 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 soll – technologisch bedingt – auf einen Beladeplatz gestapelt, mit einem Gabelhubwagen zur Ofenanlage transportiert und dort auf dem 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 Bedienpersonals während des Automatikbetriebes muss der gesamte Anlagenbereich mit einem Sicherheitszaun umgeben werden.

Das Sortiment der geforderten Ofenanlage ist sehr umfangreich, da sowohl bekannte Wärmebehandlungen als auch neu zu entwickelnde Behandlungsprozesse mithilfe 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

Vollautomatische Wärmebehandlung mit Leitsystem

Nach dem Öffnen der Sicherheitstür am Aufgabeplatz (Bild 2) wird die wärmezubehandelnde Charge mithilfe 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 das erforderliche Wärmebehandlungsprogramm automatisch der Charge zu. Nach erfolgter Erfassung wird der Durchlauf durch die Vergüteanlage mithilfe des Leitsystems vollautomatisch gesteuert.

Vom Lösungsglühofen bis zur Kühlkammer

Ist der Lösungsglühofen zur Aufnahme der Charge bereit, wird diese vom Aufgabeplatz mithilfe 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 Ofenbedienpersonal die Kühlkammertür mithilfe des außenliegenden Tasters „Ausgangstüre öffnen“, am Bedienkasten rechts neben der Tür. Die Charge wird entnommen und die Kühlkammertür wieder verschlossen.

Kontrollmechanismen und Protokolle der Vergüteanlage

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 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 sowie im Abschreckbad.

Aufbau und Funktion der Anlagenteile

Für den Transport der Chargen läuft vor den Anlagenteilen – innerhalb des Schutzzauns – 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. Das Leitsystem gibt der Chargiermaschine den Transportablauf der Chargen durch die Anlagenteile vor.

Transport der Chargen mit der Chargiermaschine

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, von denen 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-, den Auslagerungsofen, das Abschreckbad und die Kühlkammer erfolgt mithilfe einer Laufkatze. Sie fährt oben am Portal mit Laufrollen in Gabelstaplerprofilen und wird mittels eines Zahnstangentriebs mit zwei Ritzeln und einem frequenzgeregelten Getriebebremsmotor 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 mithilfe von Kombirollen geführt wird. Die Hub- und Senkbewegung erfolgt über beidseitig angeordnete Zahnstangen und Stirnräder, 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.

Das Herzstück: Losglüh- und Auslagerungsofen

Die Hauptbestandteile der Ofenanlage sind der Lösungsglüh- und der 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 vier Hubzylindern, die jeweils auf der Ofendecke bzw. unter dem Ofen angeordnet sind.

Eine Wartungseinheit, das 5/3-Wegeventil zur Steuerung sowie die Druckluftverteilung sind auf der rechten Ofenseite angeordnet. Nach dem Signal zur Türöffnung wird die Tür mithilfe 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 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 Industrieöfen mit Blech ausgekleidet und dahinter mit mehrlagigen Keramikfasermatten sowie 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, der als Verteilerkanal dient und mit Ausströmdüsen versehen ist. Aus diesen strömt das erwärmte Umwälzgas mit hoher Geschwindigkeit horizontal durch die Charge.

Temperaturüberwachung und -regelung in den Industrieöfen

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 stellt sicher, 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 wird 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 abstellen 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. Erst dann kann die Charge abgeschreckt oder ausgefahren werden.

Die Funktion des Umwälzers wird durch eine Drucküberwachung kontrolliert, die in der Ofenseitenwand der Industrieöfen eingebaut ist. Über ein in den Leitkanal geführtes Rohr wird der Druck mithilfe eines Druckmessgerätes überwacht. Fällt der Druck unter den eingestellten Grenzwert ab, erscheint am Regler eine Störmeldung. In diesem Fall muss die ordnungsgemäße Funktion des Lüfters durch das Instandhaltungspersonal überprüft werden.

Wasserabschreckbad auf Hallenniveau

Unmittelbar vor dem Lösungsglühofen wurde das Wasserabschreckbad (Bild 6) auf Hallenniveau 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, sodass die Hubgabel der Chargiermaschine einfahren kann. Die Chargentemperatur im Ofen beeinflusst dieser Vorgang so gut wie nicht. Steht die Hubgabel unter der Palette, öffnet die Ofentür ganz und das Einsatzgut wird aus dem Lösungsglühofen über das Abschreckbad gefahren. Nach dem Erreichen der Endstellung über dem Bad taucht die Charge mithilfe des Senkantriebes in das Abschreckbad ab. Durch diesen kurzen Transportweg des Einsatzgutes erreicht die Anlage Umsetzzeiten von < 10 s.

Das Abschreckbad besteht aus einer Profilstahlschweißkonstruktion mit innenliegenden 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 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 einem induktiven Durchflussmengenmesser 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).

Kühlkammer zur endgültigen Abkühlung der Charge

Nach erfolgtem Wärmebehandlungsvorgang kühlt die Charge in der Kühlkammer auf Handlingstemperatur ab. Die Kühlkammer besitzt vier 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 Schutzzauns 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 der Kühlkammer abgestellt werden kann. Beide Türen sind elektromotorisch betrieben. Die Positionen überwachen induktive Endschalter. Da Kühlkammer und Entladeplatz in einem Anlagenteil untergebracht sind, spart dies Aufstellfläche.

Schaltanlagen für den vollautomatischen Industrieofen

Für jeden Anlagenteil wurde eine eigene Schaltanlage installiert. Diese 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 Bedienelemente 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. Die Leitrechnersoftware „prover/2“ der Fa. demig ist geeignet für:

  • Verwaltung der Wärmebehandlungsprogramme
  • Registrierung der Chargenanmeldung
  • Zusammenstellung der Chargendaten für die Wärmebehandlung
  • Übertragung der Chargendaten an die Öfen
  • Zusammenstellung der Chargendaten zur Dokumentation
  • Aufzeichnung von Störmeldungen

Mithilfe 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 besonderen 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.

bild1

Gesamtansicht der Anlage

bild2

Aufgabeplatz

bild3

Kühlkammer mit Entnahmeplatz

bild4

Chargiermaschine während der Montage bei
PADELTTHERM® GmbH

bild5

Ansicht Auslagerungsofen innerhalb der Anlage

bild6

Abschreckbad vor dem Lösungsglühofen

bild7

Armaturen am Wasserschreckbad

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