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Technologie

20 Jahre Schmelztechnikum - modernste Induktionsofentechnik für unsere Kunden

Seit zwanzig Jahren betreibt die OTTO JUNKER GmbH in Lammersdorf ein Technikum zur Durchführung von Forschungs- und Entwicklungsarbeiten im Bereich Schmelz-, Warmhalte- und Gießanlagen.

In Summe stehen ca. 450 m2 zur Verfügung. Die betreffende Halle ist mit einem Kran mit einer Tragkraft von 3,2 t sowie mit den wichtigsten Werkzeugmaschinen, einem Schweißplatz, Glühöfen usw. ausgestattet. Ferner steht umfangreiche moderne Messtechnik zur Verfügung. Das Herzstück des Technikums ist jedoch ein Mittelfrequenz-Tiegelofen, zum damaligen Zeitpunkt ein Ofen mit einem Fassungsvermögen von 750 kg bezogen auf Eisenlegierungen, einer Leistung von 400 kW bei umschaltbarer Betriebsfrequenz zwischen 250 Hz und 500 Hz (Multifrequenz-Technik).

Die Anlage wird im Rahmen von Kundenprojekten zur Klärung metallurgischer und verfahrenstechnischer Aufgabenstellungen mannigfaltig eingesetzt und auch für interne Entwicklungsarbeiten intensiv genutzt, z. B. zum Test von Temperatur- und Metallfüllstandsensoren, zur Entwicklung von Tiegelüberwachungssystemen, für Feuerfestuntersuchungen und ähnliches. Von entscheidender Bedeutung ist das Vorliegen einer Betriebsgenehmigung zum Schmelzen aller gängigen Knet-, Guss- und Sonderlegierungen.

Einige der spezielleren Anwendungen sind untenstehend beispielhaft aufgeführt:

  • Ermittlung des Einschmelzverhaltens und Ermittlung von Schmelzdaten für feinstückiges Silicium für die Solarzellenindustrie (etliche Versuchsreihen für mehrere Kunden)
  • Recycling von Sägespänen aus der Silicium-Wafer-Produktion
  • Versuche zur Schmelzreduktion von Filterstäuben aus der Edelstahlproduktion
  • Versuche zur Schmelzreduktion von Elektrolichtbogenofenstäuben
  • Recycling von Aluminiumspänen
  • Tests von Schmelztiegelwerkstoffen für Siliciumschmelzen
  • Ermittlung des Einschmelzverhaltens und Ermittlung von Schmelzdaten für Ferrosilicium
  • Gießversuche im Zusammenhang mit dem Gießen von Kupferanoden
  • Versuchsreihen zur Schmelzraffination von Siliciumschmelzen
  • Ermittlung des Einschmelzverhaltens und Ermittlung von Schmelzdaten für Ferrochrom
  • Untersuchung des Aufkohlungsverhaltens bei Gusseisenschmelzen
  • Versuche zum Einschmelzen von Eisenschwamm
  • Schmelzen von Kupfer-Zink-Legierungen für den Niederdruckkokillenguss

Insgesamt hat die Erfahrung gezeigt, dass zur Extrapolation von Schmelzversuchsergebnissen auf größere Kundenanlagen die genannte Ofengröße ein Mindestmaß darstellt; mit Induktionstiegelöfen im Labormaßstab, wie sie oft an Forschungseinrichtungen und Universitäten zu finden sind, können hier nur sehr bedingt aussagefähige Ergebnisse erzielt werden.

Der Mittelfrequenzinduktionstiegelofen – Ursache und Bedeutung der Schmelzebadbewegung

Eine wesentliche Eigenschaft des Induktionstiegelofens, die ihn von allen anderen Schmelzaggregaten grundsätzlich unterscheidet, ist die durch die elektromagnetischen Kräfte hervorgerufene Schmelzebadbewegung.

Die Intensität der Badbewegung ist zunächst abhängig von der Ofenleistung, je höher diese ist, desto stärker ist die Badbewegung. Darüber hinaus ist die Strömungsintensität abhängig von der Frequenz des die Spule speisenden Wechselstromes, je niedriger dessen Frequenz, desto stärker die Badbewegung. Daraus folgt zunächst, dass bei gegebener fester Frequenz der Wärmeeintrag in die Schmelze und die Stärke der Badbewegung stets gekoppelt sind. Ferner ist es jedoch möglich, bei einer gegebenen geforderten Ofenleistung durch Wahl der geeigneten Betriebsfrequenz die Stärke der Badbewegung gezielt zu wählen.

Schließlich ist die Intensität der Badbewegung bei gegebener Leistung und Frequenz vom Füllstand des Ofens abhängig; dies betrifft in besonderem Maße die Strömung an der Schmelzeoberfläche. Je höher der Ofenfüllstand bei gegebener Leistung und Frequenz ist, desto schwächer ist die Badbewegung.

Spezielle Schaltungstechniken

Während die Einstellung der elektrischen Leistung und damit des thermischen Leistungseintrages anlagentechnisch unproblematisch ist, kann eine davon unabhängige Beeinflussung der Metallbewegung nur über spezielle Schaltungstechniken erreicht werden.

Otto Junker hat für die Erfüllung der oben genannten Aufgabenstellung zunächst die besonderen Schaltungsvarianten Power-Focus-Technik und Multi-Frequenz-Technik entwickelt und in zahlreichen Anlagen erfolgreich eingesetzt.

Die Power-Focus-Technik ermöglicht die automatische oder frei wählbare Leistungskonzentration in den Spulenbereich, in dem es erforderlich ist (unten oder oben). So kann zum Beispiel bei einem halbgefüllten Ofen eine Leistungskonzentration im unteren Tiegelbereich erfolgen und damit dort eine höhere Leistungsaufnahme erreicht werden. Andererseits kann bei der kompletten Ofenfüllung die Leistung in dem oberen Spulenbereich erhöht werden und damit dank der stärkeren Badbewegung ein besseres Einrühren, beispielsweise von Spänen, erreicht werden.

Die Multi-Frequenz-Technik gestattet eine Umschaltung der Betriebsfrequenz im laufenden Schmelzprozess, manuell oder automatisch. So wird zum Beispiel im Falle des Schmelzens von Gusseisen für das Schmelzen der Einsatzstoffe mit der dafür geeigneten Frequenz von 250 Hz gearbeitet. Für das Einbringen von Aufkohlungsmitteln und Legierungszuschlägen wird dann auf eine niedrigere Frequenz, so z. B. 125 Hz, umgeschaltet. Wie die Praxis zeigt, kann durch die Umschaltung auf die niedrigere Frequenz der Aufkohlungsprozess bei der Analysenkorrektur von Gusseisenschmelzen wesentlich beschleunigt werden. Gleichzeitig reduziert sich der Abbrand des Aufkohlungsmittels.

Es soll nicht unerwähnt bleiben, dass auch eine Kombination beider Schaltungstechniken möglich ist und damit die gewünschten Effekte noch verstärkt werden. Dies hat sich z. B. bei Schmelzöfen zum Recycling von Aluminiumspänen bewährt: Diese werden stets im Sumpfbetrieb eingeschmolzen. Zur Minimierung von Oxidation und Abbrand muss hier die füllstandsabhängige Oberflächenbadbewegung zum einen so gering wie möglich, zum anderen jedoch immer ausreichend für das zügige Einrühren der Späne sein. Dies wird durch einen automatisierten Einsatz der Power-Focus- und Multi-Frequenz-Technik erreicht.

Mit den neuesten Entwicklungen unter Nutzung der besonderen technischen Vorteile der IGBT-Umrichtertechnik werden diese Möglichkeiten noch erheblich erweitert:

Neben der bewährten Umrichtertechnik auf Basis von Thyristoren hat die erfolgreiche Entwicklung spezieller IGBT-Umrichter für den Einsatz bei elektrothermischen Prozessen zunehmend an Bedeutung gewonnen. Dabei werden anstelle der Thyristoren im Wechselrichter IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistor) eingesetzt.

Eine spezielle Ausführung des IGBT-Umrichters mit zwei getrennten Wechselrichtern und einer Einrichtung zum elektrisch phasenverschobenen Betrieb zweier Teilspulen eines Ofens bilden die technischen Voraussetzungen für eine Beeinflussung der Badbewegung in noch weiteren Grenzen. So kann ein Ofen während des Einschmelzvorgangs mit einer geeigneten Nennfrequenz von z. B. 250 Hz betrieben und für die Erhöhung der Badbewegung bei geringer Leistung stufenlos in der Frequenz im Bereich unterhalb von 100 Hz eingestellt werden. Außerdem ermöglicht die Einstellung der Phasenlage des die beiden Teilspulen speisenden Stromes eine weitere gezielte Veränderung der Strömung (Drehrichtung und Geschwindigkeit), vor allem im mittleren Spulenbereich des Ofens. Damit wird die höchste Strömungsgeschwindigkeit in das Innere des Schmelzebades verlagert und damit eine bessere Durchmischung des gesamten Metalls erreicht. Ferner erhöht sich bei Anwendung dieser Schaltungstechnik, vor allem bei tiefen Frequenzen, der turbulente Anteil der Strömung beträchtlich, so dass ein maximaler Mischungseffekt bei minimalem Wärmeeintrag erzielt werden kann.

Die neue Schmelzanlage im Schmelztechnikum der OTTO JUNKER GmbH

Die neue Anlage ist mit allen der oben erläuterten Schaltungsvarianten ausgestattet und bietet dadurch eine einzigartige Flexibilität hinsichtlich der gezielten Beeinflussung der Schmelzebadbewegung.

Die Eckdaten:
  • Fassungsvermögen bezogen auf Eisenwerkstoffe: 1.700 kg
  • Leistung bezogen auf Eisenwerkstoffe: 600 kW
  • Nennbetriebsfrequenz im Schmelzmodus (umschaltbar): 200/100 Hz
  • Betriebsfrequenz im Rührmodus bei reduzierter Leistung, stufenlos einstellbar: 30 – 100 Hz
  • Zwei Teilspulen (oben - unten) mit unabhängigen Wechselrichtern, dadurch Beaufschlagung der Teilspulen mit unterschiedlicher Leistung möglich
  • Phasenverschobener Betrieb der Teilspulen möglich in den Grenzen: -90° bis +90°
  • Ofen-Kontroll-System JOKS mit Touchscreen
  • Ofenwiegeeinrichtung
  • Optical Coil Protection System (OCP)
  • Funkfernbedienung für Leistungsbeaufschlagung und Ofenkippung
  • Volle Instrumentierung der Kühlkreise für kalorimetrische Messungen
  • Ringabsaugung und Filteranlage
  • Diverse Chargiereinrichtungen
  • Schutzgasbetrieb

Die Möglichkeiten dieser Anlage hinsichtlich des Einflusses von Leistung, Frequenz und Phasenverschiebung auf die Schmelzebadbewegung werden auf folgender Videoaufnahme demonstriert:

Diese Versuchsreihe wird anlässlich der zweimal jährlich stattfindenden Seminarreihe der OTTO JUNKER Akademie den jeweiligen Teilnehmern „live“ mit flüssiger Schmelze demonstriert.

Selbstverständlich sind auch mit dieser Anlage schon etliche Versuche im Rahmen von Kundenprojekten durchgeführt worden; im Folgenden einige Beispiele:

  • Durchführung von Versuchen zur Raffination von Kupferschmelzen mittels selektiver Oxidation
  • Schmelzversuche zum Einbringen von Silicium-Flakes in eine Aluminiumschmelze
  • Schmelzversuche zur Herstellung von Aluminium-Titan-Bor-Kornfeinungslegierungen
  • Einschmelzen von mit keramischen Filtern behaftetem Aluminium-Kreislaufmaterial
  • Herstellung von komplexen Aluminium-Gleitlagerlegierungen
  • Recycling von zinkhaltiger Zinkkrätze
  • Versuche zum Schmelzen und Aufschäumen von Spezialglas
  • Schmelzversuche im Zusammenhang mit der Herstellung von Reinstaluminium

Bei diesen Beispielen diente die Anlage zum einen der optimalen Parameterfindung für die Auslegung des betreffenden Induktionstiegelofens; zum anderen lagen auch kundenseitige Aufgabenstellungen vor, bei denen im Rahmen komplexer Prozessabfolgen die volle Bandbreite der Möglichkeiten (z. B. Phasenverschiebung) gefordert war.

Parallel wurde die Anlage natürlich auch für interne Versuche, z. B. zur Weiter- und Neuentwicklung von Gießanlagen genutzt. Hier im Zusammenhang mit druckbeaufschlagtem Gießen sowie dem automatischen Kippgießen von Gusseisen. Letzteres betreffend fanden in den letzten zwei Jahren umfangreiche Versuchskampagnen an einer automatischen Gusseisenpfannengießanlage unserer Tochterfirma INDUGA GmbH & Co. KG, Typ PUMA, im Schmelztechnikum statt. Der Mittelfrequenzofen diente hier als Schmelzelieferant und –puffer. Ziel der Versuche war die Optimierung der Gießparameter und der zugrunde liegenden mathematischen Modelle.

Andererseits sind Schmelzversuche mit dem genannten Ofen mit einem Fassungsvermögen von 1,7 t immer mit einem gewissen Aufwand verbunden, was Zustellung, Einsatzmateriallogistik und das Abgießen betrifft. Daher wurde in 2017 die Ausstattung des Schmelztechnikums durch einen kleineren Ofen komplettiert, um Kleinversuche ohne großen Aufwand flexibel durchführen zu können. Dieser hat ein Fassungsvermögen von 100 kg, bezogen auf Eisenwerkstoffe, und eine Leistung von 60 kW. Die Betriebsfrequenz kann in Stufen zwischen 350 Hz und 1.000 Hz gewählt werden und liegt somit im praxisnahen Bereich.

Forschungs- und Entwicklungsanlagen im Bereich der Wärmebehandlung

Obwohl der vorliegende Aufsatz vornehmlich das Schmelztechnikum der OTTO JUNKER GmbH zum Inhalt hat, soll an dieser Stelle nicht unerwähnt bleiben, dass auch im Bereich der Anlagentechnik zur Wärmebehandlung von Nichteisenmetallen ein umfangreich ausgestattetes Technikum unterhalten wird. Hierzu werden Sie in der nächsten Ausgabe mehr erfahren.

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Dr. Wilfried Schmitz         
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