Batch oder Konti? - Otto Junker GmbH

Veröffentlichung
Bolzenhomogenisierung –
Batch oder Konti?
Dr.-Ing. Günter Valder
Geschäftsbereichsleiter Technik Thermoprozessanlagen
Otto Junker GmbH, Simmerath
Otto Junker GmbH
Jägerhausstr. 22
52152 Simmerath
Tel.: +49 2473 601 – 0
Fax: +49 2473 601 – 600
Internet: http://www.otto-junker.de

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Bolzenhomogenisierung – Batch oder Konti?
Der Homogenisierungsofen stellt im Fertigungsablauf einer Aluminiumhütte den
abschließenden Wärmebehandlungsprozess vor der Auslieferung bzw. Weiterverarbeitung
der Aluminiumstränge oder –bolzen im Strangpresswerk dar.
Am Markt etabliert sind zwei verschiedene Anlagenvarianten, deren wesentliches
Unterscheidungsmerkmal die Fahrweise, kontinuierlich bzw. diskontinuierlich, ist. OTTO
JUNKER bietet für beide Varianten Komplettlösungen an; der vorliegende Artikel soll den
Betreibern einen Überblick über die wichtigsten Entscheidungskriterien bei der Auswahl und
für den Betrieb einer Bolzenhomogenisierung geben.
Einordnung in die Infrastruktur der Primär- und Sekundärhütten
Das Einsatzmaterial für Strangpresswerke sind grundsätzlich zylindrische Pressbarren im
Durchmesserbereich von 100 mm – 600 mm mit Längen von 0.5 m – 1.8 m als „Bolzen“ oder
alternativ „Stränge“ mit Längen von 3 m - 8 m. Deren Herstellung erfolgt in Primär- und
Sekundärhütten. Die Homogenisierung ist sowohl in den Primär- als auch in den
Sekundärhütten der abschließende Wärmebehandlungsprozess.
Die Notwendigkeit dieses Wärmebehandlungsschrittes ergibt sich daraus, dass sich während
der Erstarrung des gegossenen Stranges in der Kokille über den radialen und axialen
Strangquerschnitt eine inhomogene Verteilung der Legierungselemente einstellt. Um zu
einer gleichmäßigen Verteilung dieser Legierungselemente zu gelangen und die spröden
Zellgrenzenausscheidungen einzuformen, wird eine Homogenisierungsglühung bei 570 - 590
°C mit einer Haltezeit von 4 - 8 Stunden durchgefüh rt, eine typische sogenannte Ofenreise
zeigt Abbildung 0-1. Die anschließende Abkühlung kann unkontrolliert an Raumluft durch
natürliche Konvektion oder mit gezielter Abkühlgeschwindigkeit durch erzwungene
Konvektion mit Luft oder Wasser erfolgen. Die Abkühlgeschwindigkeit hat je nach Legierung
unterschiedliche Auswirkungen auf das Verhalten des Aluminiums beim Strangpressen und
auf die Eigenschaften des späteren Halbzeugs. AlMgSi-Legierungen bilden beispielsweise
bei schneller Abkühlung viele feine Mg- und Si-Sekundärausscheidungen mit den Folgen
eines hohen Kraftbedarfes beim Strangpressen, hoher Pressgeschwindigkeit und Ausbildung
hoher Festigkeit nach abschließender Warmauslagerung. Die langsame Abkühlung hingegen
führt auf einen niedrigen Kraftbedarf beim Strangpressen, reduziert aber gleichzeitig die
Pressgeschwindigkeit und die spätere Festigkeit. Die Mg- und Si-Sekundärausscheidungen
sind geringer und gröber.
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Temperatur [°C] / Drehzahl [%]
650
600
550
500
450
400
350
300
250
200
150
100
50
0
Heizen
Halten
Kühlen
0 100 200 300 400 500 600 700 800 900
Zeit [min]
Ventilatordrehzahl [%] Fluidtemperatur [°C] Guttemperatur [°C]
Abbildung 0-1: Berechneter idealer Verlauf der kalorischen mittleren
Guttemperatur und angenommener Verlauf der Ventilatordrehzahl über die
Prozeßschritte Heizen-Halten-Kühlen ohne Übertemperatur.
Der Anlieferungszustand der Stränge oder Bolzen in die Strangpresswerke ist grundsätzlich
ultraschallgeprüft – geschopft - homogenisiert; falls die Gußhaut sich negativ auf das später
stranggepresste Halbzeug auswirkt, kann die Oberfläche zusätzlich abgedreht sein.
Bei der Ultraschallprüfung ist zwischen herkömmlichen Ultraschallprüfungen und dem
sogenannten Helical-Testing zu unterscheiden : Während die herkömmlichen
Ultraschallprüfungen zum Ausschluss von Rissen im Stranginneren stets durchgeführt
werden, findet das Helical-Testing seine Anwendung für Sicherheitsbauteile mit dem Ziel,
zusätzlich Oberflächenrisse auszuschliessen. Die zuvorgenannten Prüfeinrichtungen bezieht
OTTO JUNKER von einem bewährten Lieferanten.
Beim Schopfen werden die Kopf- und Fußenden vom gegossenen Aluminiumstrang
abgetrennt. Das Schopfen wird aus energetischen Gründen vor der Homogenisierung
durchgeführt, damit die Kopf- und Fußenden nicht unnötig mit erwärmt werden. Damit dieser
Effekt genutzt werden kann, muss die Strömungsführung des Homogenisierungsofens so
gestaltet werden, dass Randüberhitzungen ausgeschlossen sind.
OTTO JUNKER hat bereits mehrfach Homogenisierungslinien als Komplettlösungen von der
Übernahme der Stränge aus der Kokille bis zur Palettisierung der fertigen
Aluminiumstränge oder –bolzen ausgeführt.
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Neben den Homogenisierungsöfen wurde das komplette Strang- und Bolzenhandling
einschließlich der „Narrow-Cut“ - Säge geliefert.
Die Homogenisierungslinien zeichnen sich durch einen hohen Automatisierungsgrad aus,
wobei „Level 2“ durch bedienerfreundliche Visualisierungen abgedeckt wird, während die
Archivierung und Verarbeitung der Auftrags- und Prozessdaten durch Anbindung an das
kundenseitige Production-Data-Management (PDM, „Level 3“) sichergestellt werden kann.
Für die Sekundärhütten kann der Lieferumfang von OTTO JUNKER zusätzlich um die
erforderlichen Schmelz- und Warmhalteöfen erweitert werden. Diese sind als Ein- oder
Mehrkammerherdofen ausgeführt und bedienen sich der langjährig bewährten THERMCON-
Technologie.
Klassifizierung von Homogenisierungsöfen
Homogenisierungsöfen können nach Art der Fahrweise (kontinuierlich / dis-kontinuierlich),
nach Art der Beheizung (brennstoffbeheizt, elektrisch-widerstandsbeheizt) und nach Art der
Strömungsführung (Nozzle-Flow / Mass-Flow) klassifiziert werden, vgl. Abbildung 0-2.
Homogenisierungsofen
diskontinuierlich
kontinuierlich
Nozzle-Flow-Konzept
Mass-Flow-Konzept
brennstoffbeheizt
elektrisch-widerstandsbeheizt
Abbildung 0-2: Klassifizierung Homogenisierungsofen
Fahrweisen
In kontinuierlichen Homogenisierungsöfen werden die Aluminiumstränge einzeln in festen
Zeitabständen zum Beispiel mittels Hubbalkensystem durch die Anlage getaktet. Die
Temperatur der Aluminiumstränge ändert sich mit der Zeit und dem zurückgelegten Weg.
Bei diskontinuierlichen Homogenisierungsöfen werden mit Hilfe von Gestellen Chargen
gebildet, die Temperatur der ortsfesten Aluminiumstränge ändert sich nur mit der Zeit.
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Die zwischen den äußeren und inneren Aluminiumsträngen einer Charge während des
Aufheizens auftretenden Temperaturdifferenzen können bis zu 90 K betragen, so dass die
Haltezeit erst beginnt, wenn auch die inneren Aluminiumstränge die
Homogenisierungstemperatur erreicht haben.
Bei diskontinuierlichen Homogenisierungsöfen der Bauart OTTO JUNKER wird dieser
Nachteil weitestgehend ausgeschlossen: Eine Verkürzung der Aufheizzeit bei gleichzeitiger
Verbesserung der Temperaturgleichmäßigkeit wird erreicht, indem die Strömungsrichtung
des Fluides furch die Charge stetig gewechselt wird („reversieren“). Hierzu setzt OTTO
JUNKER spezielle Axialventilatoren ein. Diese erlauben die Umkehr der Strömungsrichtung
durch die einfache Änderung der Drehrichtung und sind konstruktiv so gestaltet, dass in
beide Richtungen ein nahezu konstanter Volumenstrom gefördert wird. (vgl. Abbildung 0-3
und 0-4.) Gleichzeitig werden aufwändige und unter thermischer Belastung anfällige
Klappensteuerungen zu vermieden, wie sie beim Einsatz von Radialventilatoren erforderlich
sind.
Abbildung 03: Diskontinuierliche Homogenisierungsanlage mit Kühlkammer,
Bauart „OTTO JUNKER“
Trotz dieser Maßnahmen hat die kontinuierliche Homogenisierungsanlage aufgrund der
einzeln erwärmten Stränge noch einen Vorteil hinsichtlich Reproduzierbarkeit und
Zykluszeit, weil die zuvor beschriebenen Temperaturdifferenzen nur in vernachlässigbarer
Größe auftreten und folglich auch nicht nennenswert ausgeglichen werden müssen.
Vorteilhaft ist auch, dass keine Gestelle mit erwärmt werden und sich hierdurch bezogen
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auf das Nutzgut ein geringerer Energiebedarf gegenüber der diskontinuierlichen Bauweise
ergibt. Dass die Charge zum Übergang vom Ofen in die Kühlzone nicht umgesetzt werden
muss, kann aus metallurgischer Sicht ebenfalls ein Vorteil sein: Je nach benötigter Zeit kann
sich vor allem an den außen gestapelten Aluminiumsträngen eine metallurgisch
unerwünschte Vorkühlung durch freie Konvektion ergeben.
Wesentliche Nachteile der kontinuierlichen Bauweise sind der aus der einlagigen Belegung
resultierende hohe Platzbedarf sowie eine geringe Flexibilität bei häufigen Format- und
Legierungswechseln. Vor allem dann, wenn ein großer Durchmesserbereich abzudecken ist,
zeigt sich, dass die mehrlagige Belegung des diskontinuierlichen Ofens stets eine 100 %ige
Nutzung des Homogenisierungsofens ermöglicht.
Aufbau und Energieübertragung
Der grundsätzliche Aufbau und die Wärmeübertragungsmechanismen sind bei beiden
Bauweisen gleich: In einem isolierten Stahlgehäuse sind Kanäle aus hitzebeständigem Stahl
eingebracht, die die Aluminiumstränge umschließen. In diesen so genannten
Innengehäusen werden Heißgasventilatoren und die Beheizungssysteme eingebaut. Zu den
Aluminiumsträngen gerichtet weisen die Innengehäuse spezielle, der Chargengeometrie und
–stapelung angepasste Düsensysteme auf (vgl. Abbildung 0-4 und 0-7).
Die Ofenatmosphäre wird von Heißgasventilatoren radialer oder axialer Bauart stetig
umgewälzt, wobei der von den Beheizungseinrichtungen eingetragene Energiestrom
zunächst durch erzwungene Konvektion an die umgewälzte Atmosphäre abgegeben wird.
Durch die Düsensysteme wird die Charge angeströmt, hierbei wird der Energiestrom
schließlich zum weitaus größten Anteil per erzwungener Konvektion (85%) und per
Wärmestrahlung (15%) von der Ofenatmosphäre an die Charge übertragen.
Abbildung 0-4: Querschnitt eines direkt
Brennstoffbeheizten diskontinuierlichen
Homogenisie-rungsofens mit reversierbarer
Querluftumwälzung nach dem Mass-Flow-
Konzept, vgl. auch Abbildung 0-6.
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Die Kühleinrichtung ist bei der diskontinuierlichen Bauweise als separate Kammer
ausgeführt und fester Anlagenbestandteil bei der kontinuierlichen Bauweise. Der Aufbau
und folglich auch die Wärmeübertragungsmechanismen entsprechen jeweils dem des
beheizten Anlagenteiles. Als Kühlmedium wird in der Regel Umgebungsluft angesaugt und
nach einmaliger Durchströmung der Charge wieder nach außen abgegeben. Die benötigten
Kühlraten variieren legierungsabhängig zwischen 150 und 550 K/h und genügen für die
weitaus meisten Anforderungen; deutlich höhere Kühlraten stellen eine Ausnahme dar und
werden vor allem bei der kontinuierlichen Homogenisierung mittels intensiv-Luftkühlstrecken
(700 K/h) oder mit Wasserkühlungen ( > 1000 K/h) erreicht.
Strömungsführungen
Grundsätzlich ist bei der Gestaltung des Strömungskreislaufes zwischen dem Mass-Flow-
Konzept und dem Nozzle-Flow-Konzept zu unterscheiden. Welches der beiden Konzepte bei
der Dimensionierung eines Industrieofens letztlich eingesetzt werden kann, entscheiden die
Bauteilgeometrie und das Beladungsmuster. In Bezug auf den Homogenisierungsofen ergibt
sich der wesentliche Unterschied der beiden Konzepte aus der Anströmung der
Aluminiumstränge: Das Nozzle-Flow-Konzept kann ausschließlich bei der kontinuierlichen
Homogenisierung eingesetzt werden, weil hier die Möglichkeit besteht, jeden
Aluminiumstrang mit einer einzelnen Düse (vgl. Abbildung 0-6) direkt anzuströmen. Dies ist
nicht bei allen bekannten Bauarten der Fall und wenn, dann auch nur sinnvoll in der
Aufheizzone und Kühlzone zur Erzielung höherer und gezielter einstellbarer Heiz- und
Kühlraten. Die Anströmgeschwindigkeit liegt dabei deutlich oberhalb von 20 m/s.
Abbildung 0-6: CFD - Simulation eines möglichen
Düsenfeldes für die Aufheizzone des kontinuierlichen
Homogenisierungsofens nach dem Nozzle - Flow – Konzept
(links) im Vergleich zum Mass-Flow-Konzept (rechts).
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Bei einer Stapelung, wie nach Abbildung 0-4 in der diskontinuierlichen
Homogenisierungsanlage würde die Anwendung des Nozzle-Flow-Konzepts einen hohen
lokalen Wärmeübergang nur an den ortsfesten äußeren Aluminiumsträngen bewirken. Weil
die hohe Anströmgeschwindigkeit auf dem Weg durch die gestapelte Charge nicht erhalten
werden kann, vermindert sich der konvektive Wärmeübergang und es entstehen die bereits
erwähnten Temperaturdifferenzen zu den ebenfalls ortsfesten inneren Aluminiumsträngen
hin. Hier ist deswegen das Mass-Flow-Konzept mit niedriger (< 10 m/s), aber relativ zu den
Aluminiumsträngen konstanter Geschwindigkeit vorzuziehen.
Die Homogenisierung von Aluminiumsträngen erfordert eine enge Temperaturtoleranz von
+/- 5 K und besser. Die beim Aufheizen entstehende Temperaturdifferenz wird umso
geringer sein, je geringer die Temperaturänderung der umgewälzten Ofenatmosphäre (Fluid)
im Verhältnis zur Temperaturänderung des Ofengutes ist.
Dieses Verhältnis wird als so genanntes „Kapazitätsstromverhältnis“ bei der
berücksichtigt :
Auslegung
K
=
(
m ⋅c
n
.
( ∑mi
c
i=
1
Das Kapazitätsstromverhältnis sollte stets so groß wie möglich sein, jedoch sind
wirtschaftliche Grenzen gesetzt: Steigendes Kapazitätsstromverhältnis führt auf steigende
Anströmgeschwindigkeit. Während der konvektive Energiestrom ungefähr mit α ~ v 0.8
zunimmt, steigt Leistungsaufnahme der Ventilatoren mit P Ventilator ~ v 3 , was bei Verdopplung
der Anströmgeschwindigkeit auf lediglich ca. 75% Steigerung des konvektiven
Energiestroms bei jedoch achtfacher Ventilatorleistung führt. Aufwand (z.B. Bauraum,
Betriebskosten) und Nutzen (Aufheizzeit, Temperaturtoleranz) sind daher stets abzuwägen.
In der Praxis hat es sich bewährt, für Homogenisierungsöfen das Kapazitätsstromverhältnis
gleichermaßen für das Nozzle-Flow-Konzept und Mass-Flow-Konzept auf den wirtschaftlich
darstellbaren Maximalwert einzustellen.
Der konvektive Energiestrom zuzüglich des über Wärmestrahlung an die Oberfläche der
Aluminiumstränge übertragene Anteiles muss in den Materialkern geleitet werden. Ob der
Wärmeleitwiderstand vernachlässigt werden kann und die Aluminiumstränge tatsächlich als
thermisch dünn und damit gleich temperiert betrachtet werden können, lässt sich mit einer
einfachen Formel überprüfen:
Maßgeblich für die Differenz zwischen der Oberflächentemperatur und der Kerntemperatur
ist das Verhältnis zwischen dem Wärmeübergangswiderstand und dem
Wärmeleitwiderstand, ausgedrückt durch die Biot-Zahl mit dem Wärmeweg d/2,
.
p
)
Fluid
p,
i
)
Gut
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dem Wärmeübergangskoeffizienten α als Summe aus Konvektions- und Strahlungsanteil
sowie der Wärmeleitfähigkeit λ des erwärmten Körpers :
α ⋅ d
Bi = 2 ⋅ λ
Für Bi < 0.1 kann der Wärmeleitwiderstand vernachlässigt werden.
Beheizungen
Unabhängig von der Fahrweise und unabhängig von der Strömungsführung können
Homogenisierungsöfen offen brennstoffbeheizt oder elektrisch-widerstandsbeheizt
ausgeführt werden.
Welche Beheizungsart eingesetzt wird, hängt in erster Linie von den Bezugskosten für
elektrischen Strom und Erdgas ab und wird zunehmend auch unter dem Aspekt der CO 2 -
Minderung gesehen. Dann muss in die Überlegungen auch die aufgrund des Strommixes
(Anteile Kernkraft / fossil / regenerativ) gegebene spezifische CO 2 -Emission einbezogen
werden. Hinsichtlich der Qualität des Homogenisierungsprozesses hat die Wahl der
Beheizungseinrichtung keinen Einfluss. Der frühere Vorteil, dass elektrische Heizungen
einen größeren Regelbereich und somit eine bessere Temperaturführung ermöglichten, ist
durch moderne, kaskadiert aufgebaute Gasregelstrecken nahezu vollständig kompensiert.
Im Strömungskreislauf können die Gasbrenner oder Heizregister in Bezug auf den
Umwälzventilator saug- als auch druckseitig eingebaut werden. Der druckseitige Einbau
bietet den Vorteil, dass in der Regel eine gleichmäßigere Anströmung und Energieabnahme
an den Gasbrennern oder Heizregister gewährleistet werden kann. Folge ist eine bessere
Temperaturgleichmäßigkeit in der umgewälzten Ofenatmosphäre und ein geringfügig
höherer Wirkungsgrad. Bei reversierend konzipierten Strömungskreisläufen ist daher
besondere Aufmerksamkeit erforderlich, um eine saugseitig wie druckseitig gleichmäßige
Energieabnahme an der Beheizungseinrichtung sicher zu stellen.
Die Ausführung einer elektrischen Widerstandsbeheizung hat als signifikanten Vorteil einen
besseren energetischen Wirkungsgrad zu bieten; darüber hinaus entfällt die Notwendigkeit
eines Abgaskamins. Ein typischerweise vonm OTTO JUNKER eingesetztes Heizregister
zeigt Abbildung 0-7.
Beim Einsatz eines Gasbrenners ist es Stand der Technik zur Verbesserung des
feuerungstechnischen Wirkungsgrades die zugeführte Verbrennungsluft vorzuwärmen.
Üblich ist der Einsatz von Gasbrennern mit integriertem Rekuperator, Abbildung 0-7 zeigt
einen Gasbrenner mit Röhrenrekuperator.
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Die mit einem integrierten Rekuperator erzielbaren Vorwärmtemperaturen liegen in der
Größenordnung von 60 % der Prozesstemperatur, d.h. im Ausgleich- und Haltebetrieb bei
Homogenisierungstemperatur 350 °C und während des A ufheizbetriebs mit Übertemperatur
bis zu 400 °C.
Zu beachten ist weiterhin, dass die Gasbrenner zum Beispiel durch Integration einer
automatischen λ-Regelung stets auf 1.05 < λ < 1.10 eingestellt sein sollten. Hierdurch
können nach Erfahrungen von OTTO JUNKER ungefähr 5 % des Brennstoffeinsatzes
eingespart werden. Voraussetzung ist, dass das Luft-/Gasgemisch stufenlos einstellbar ist.
Hierdurch ergibt sich der zusätzliche Vorteil, dass in der SPS eine Regelstrategie ausgeführt
werden kann, die auf eine maximale Einschaltdauer der Gasbrenner abzielt und dann die
Effizienz der eingesetzten Brennstoffenergie weiter verbessert.
Abbildung 0-7: Heizregister (Bauart OTTO JUNKER) im Vergleich zum Gasbrenner
mit Röhrenrekuperator (Bauart WIEDEMANN)
Die Vorwärmung der zu homogenisierenden Aluminiumstränge durch weitere Nutzung der
Abgasenthalpie in Kammern, die dem Homogenisierungsofen vorgeschaltet werden, ist als
weitere Maßnahme zur Verbesserung der Energieeffizienz möglich, wenn die räumlichen
Voraussetzungen gegeben sind [1].
Typischer Energiebedarf der beiden Bauarten
Der Energiebedarf wird maßgeblich von der Fahrweise des Homogenisierungsofens und den
jeweils geltenden Randbedingungen bestimmt. Die von OTTO JUNKER konzipierten
Anlagen repräsentieren grundsätzlich den Stand der Technik. Für die beiden Bauarten
werden in Tabelle 1 Werte für den Brennstoffeinsatz und Strombedarf angegeben. Die
wichtigsten Randbedingungen hierfür sind:
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• Der Homogenisierungsofen ist wärmegespeichert.
• Der Homogenisierungsofen ist dicht.
• Der Homogenisierungsofen ist entsprechend seiner Dimensionierung optimal beladen
• Die Regelung der Beheizungseinrichtung ist optimiert auf maximale Einschaltdauer.
• Bei Brennstoffbeheizung sind die Brenner auf 1.05 < λ < 1.10 eingestellt.
Der Brennstoffeinsatz setzt sich prinzipiell aus dem Energiestrom, der dem Nutzgut
zugeführt werden muss, dem Abgasverlust (≈ 15 % - 20 % beim Einsatz von
Rekuperativbrennern), den Verlusten zur Deckung des Wandwärmestroms (≈ 300 W/m 2
Ofenoberfläche) und den beim Chargieren enstehenden Verlusten zusammen.
Die Bilanzierung des elektrisch-widerstandsbeheizten Homogenisierungsofens erfolgt
analog, es entfällt allerdings der Abgasverlust.
Bei der Bilanzierung beider Beheizungsarten jedoch immer auch zu beachten, dass die
Wellenleistung der Umwälzventilatoren und bei der brennstoffbeheizten Variante zusätzlich
die Wellenleistung des Verbrennungsluftventilators vollständig in Wärme umgesetzt werden
und sich dadurch der Energiebedarf entsprechend reduziert. Tabelle 1 stellt die
entsprechende Bilanzierung exemplarisch dar.
Verbrauch
Brennstoffbedarf
Stromverbrauch
Prozesschritt Verbraucher Kaltluftbrenner Rekuperativbrenner Kaltluftbrenner Rekuperativbrenner
Heizen Gutwärmestrom 7825 kWh 7825 kWh - -
Umwälzventilator -239 kWh -239 kWh 266 kWh 266 kWh
Halten Umwälzventilator -36 kWh -36 kWh 40 kWh 40 kWh
Heizen + Halten Wandwärmestrom 556 kWh 556 kWh - -
Verbrennungsluftventilator -124 kWh -103 kWh 138 kWh 115 kWh
Kühlen Umwälzventilator - - 620 kWh 620 kWh
Heizen + Halten + Kühlen Schaltanlage - - 45 kWh 45 kWh
Nettoverbrauch
Bruttoverbrauch
7981 kWh 8002 kWh 1108 kWh 1086 kWh
11241 kWh 9414 kWh - -
spez. Verbrauch bezogen auf Nutzgutgewicht 245 kWh/t 205 kWh/t 24 kWh/t 24 kWh/t
Tabelle 1: Bilanzierung des Brennstoffeinsatzes und Strombedarfs eines
brennstoffbeheizten, diskontinuierlichen Homogenisierungsofens.
Bei brennstoffbeheizten Homogenisierungsöfen kann der Brennstoffeinsatz beim Einsatz von
Rekuperativbrennern gegenüber Kaltluftbrennern um 15 % reduziert werden, vgl. Tabelle 2.
Abhängig von den Bezugskosten für den Brennstoff kann sich der Austausch in wenigen
Jahren amortisieren – die Spezialisten von OTTO JUNKER erstellen auf Anfrage individuelle
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Wirtschaftlichkeitsrechnungen. Der Einsatz von Regenerativbrennern ist aufgrund der
Prozesstemperaturen nicht von Vorteil.
Homogenisierungsofen diskontinuierliche Bauart kontinuierliche Bauart
Durchsatz
3 t/h
Totgutanteil 10 % 0
Homogenisierungstemperatur 585 °C
Wärmeinhalt Aluminium
164 kWh/t
Haltezeit
6 h
Temperatur nach Kühlen < 200°C
Wärmeübertragungsmechanismen
primär erzwungene Konvektion, sekundär
Wärmestrahlung
direkt brennstoffbeheizt
Brennstoffeinsatz
Kaltluft ≈ 245 kWh th /t Al ≈ 236 kWh th /t Al
rekuperativ ≈ 205 kWh th /t Al ≈ 198 kWh th /t Al
Strombedarf ≈ 24 kWh el /t Al ≈ 16 kWh el /t Al
energetischer Wirkungsgrad 61.0 – 71.6% 65.0 – 76.6%
offen elektrisch - widerstandsbeheizt
Strombedarf ≈ 198 kWh el /t Al ≈ 191 kWh el /t Al
energetischer Wirkungsgrad 82.8 % 85.7 %
Tabelle 2: Brennstoffeinsatz und Strombedarf und energetischer Wirkungsgrad des
kontinuierlichen und diskontinuierlichen brennstoffbeheizten Homogenisierungsofens
jeweils im Vergleich zum elektrisch-widerstandsbeheizten Homogenisierungsofen.
Zusammenfassung
Der Homogenisierungsofen stellt im Fertigungsablauf einer Aluminiumhütte den
abschließenden Wärmebehandlungsprozess vor der Auslieferung bzw. Weiterverarbeitung
der Aluminiumstränge oder –bolzen im Strangpresswerk dar.
Grundsätzlich sind zwei verschiedene Anlagenvarianten, die nach kontinuierlicher und
diskontinuierlicher Fahrweise zu unterscheiden sind, am Markt etabliert. Beide Varianten
erfüllen mit hinreichender Genauigkeit die metallurgischen Anforderungen.
Auch die Beheizungseinrichtung und das Erwärmungskonzept sind bei der Auswahl nicht
von entscheidender Bedeutung. Sofern Platzverhältnisse keine Rolle spielen, ist die vom
Anwender geforderte Flexibilität das wesentliche Entscheidungskriterium:
Häufige Format-, Legierungs- und Temperaturwechsel sprechen für den Einsatz der
diskontinuierlichen Bauweise; spielt Flexibilität im Produktionsablauf eine untergeordnete
Rolle, können die Vorteile der kontinuierlichen Variante genutzt werden.
Als Komplettanbieter für beide Varianten ist OTTO JUNKER den Kunden bei der Auswahl
und Dimensionierung der wirtschaftlichsten Variante ein kompetenter und verlässlicher
Partner.
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