Heizen und Schmelzen mit elektrischen Widerstandsheizelementen

Die elektrische Widerstandserwärmung zeichnet sich dadurch aus, dass die Wärme außerhalb des zu erwärmenden Gutes in Heizelementen durch Umwandlung elektrischer Energie erzeugt wird. Diese Wärme wird dann durch Wärmeübertragung über die Oberfläche des Gutes in dieses eingebracht.

Die elektrische Widerstandserwärmung ist ein seit langem bekanntes Verfahren. Dennoch oder gerade durch die umfangreiche Kenntnis dieser Technologie sind nach wie vor eine Vielzahl an innovativen Anwendungen möglich. So ist beispielsweise die Herstellung mikroelektronischer Schaltkreise ohne elektrisch widerstandserwärmte Öfen nicht denkbar. Bei den Anlagen selbst gibt es neben dem optimalen Einsatz moderner Werkstoffe vor allem durch bedienungsfreundliche Schalt- und Regelgeräte sowie durch flexible, moderne Automatisierungs- und Energieversorgungseinrichtungen permanente Verbesserungen, die zu noch besseren Produktionsergebnissen beim industriellen Einsatz der Anlagen führen.

 

Es ist bekannt, dass in jedem stromdurchflossenen Leiter aufgrund seines Widerstandes elektrische Energie in Wärme umgewandelt wird. Während dieser Effekt bei der Energieübertragung zu Verlusten führt und daher nach Möglichkeit unterdrückt wird, kann er durch zweckentsprechend konstruierte Geräte zur Erwärmung nutzbar gemacht werden. Dabei kann der Strom durch das zu erwärmende Gut selbst oder aber in sogenannten Heizelementen fließen. 

Bei den Heizelementen handelt es sich um elektrische Leiter, die so konstruiert sind, dass von ihnen ein Maximum an Wärme freigesetzt wird. Diese wird durch Wärmeübertragung dem zu erwärmenden Gut zugeführt. Die Erwärmung erfolgt mittelbar, d.h. die Wärme wird außerhalb des Gutes erzeugt und gelangt über dessen Oberfläche in das Werkstückinnere. Die in Industrieöfen eingesetzten Heizelemente unterscheiden sich vor allem in Form und Material. Letzteres bestimmt die maximale Anwendungstemperatur. Heizleitermaterialien lassen sich in zwei Hauptgruppen einteilen: metallische und keramische. 

Metallische Heizleiterwerkstoffe

Zu den metallischen Heizleiterwerkstoffen gehören die seit langem genutzten Chrom-Nickel-Legierungen (CrNi), die bis etwa 1200°C verwendbar sind, ferritische Chrom-Eisen-Aluminium-Legierungen (CrFeAl) für Temperaturen bis 1400 °C und die reinen Metalle Molybdän (Mo) und Wolfram (Wo), die bis über 1400 °C unter Schutzgas betrieben werden. 

Metallische Heizelemente (CrNi und CrFeAl) sind in einer Vielzahl von Ausführungsformen in Industrieöfen einzusetzen. Die wohl bekannteste und hinsichtlich maximaler Anwendungstemperatur und Lebensdauer zu favorisierende Form ist die Platzierung auf keramischen Tragerohren. Das Einlegen der Heizelemente in Rillen im Isoliermaterial ist fertigungstechnisch gesehen die oft kostengünstigere Variante, aber eben auch mit einer um etwa 50°C reduzierten Ofentemperatur verbunden. Reine Metalle (Mo und Wo) werden in der Regel mäanderformig oder in Schlaufen im Ofen platziert.

Neben den klassischen Formen und Aufhängevorrichtungen werden metallische Heizelemente auch in Strahlungsrohren oder aber in Isolierblöcken direkt integriert.

Chrom-Nickel-Legierungen (CrNi)

Chrom-Nickel-Heizelemente sind aus einer Legierung mit einem Elementanteil von 80 % Nickel und 20 % Chrom aufgebaut. Diese Art der Heizelemente sind bereits zu Beginn des 20. Jahrhundert in Industrieöfen aber auch in Haushaltsgeräten eingesetzt worden. Die maximale Einsatztemperatur beschränkt sich auf 1200°C. Chlor und vor allem Schwefel führen zu einer Erniedrigung der Warmfestigkeit und somit der Lebensdauer. 

Ferritische Chrom-Eisen-Aluminium-Legierungen (CrFeAl)

In den 30er Jahren des vorherigen Jahrhunderts wurde von der schwedischen Firma Kanthal eine ferritische Chrom-Eisen-Aluminium-Legierung entwickelt, die sich gegenüber den konventienellen Nickel-Chrom-Legierungen vor allem durch eine höhere Anwendungstemperatur von 1400°C, eine höhere Oberflächenbelastung von etwa 1,6 W/cm², einen höheren spezifischen Widerstand von 1,35 bis 1,45  mm²/m und eine geringere Dichte von etwa 7,1 bis 7,2 g/cm³ auszeichnet.

Neben der konventionellen Herstellung dieser Heizdrähte werden Chrom-Eisen-Aluminium-Legierung auch auf pulvermetallurgischem Wege verarbeitet. Dadurch kann eine wesentlich verbesserte Warm- und Kriechfestigkeit erreicht werden, die eine höhere Formstabilität, geringere Alterungsneigung und somit auch eine längere Lebensdauer zur Folge haben.

Das Prinzip der hohen Warmfestigkeit von Chrom-Eisen-Aluminium-Legierungen beruht auf der Oxidation des Aluminium mit dem Sauerstoff der Ofenatmosphäre in Aluminiumoxid auf der Oberfläche. Dieses Phänomen erklärt auch, dass diese Heizelemente ihre höchsten Anwendungstemperaturen und Lebensdauern an Luft erreichen. Unter feuchter Luft sollte die maximale Anwendungstemperatur auf etwa 1200°C beschränkt werden, unter Stickstoff beträgt diese zwischen 1050 und 1200°C und unter reduzierender Atmosphäre lediglich 1050 bis 1200°C. Verunreinigungen wie Öl, Staub oder Dämpfe führen zu einer Reduzierung der Elementbelastung und somit der Lebensdauer.

 

Molybdän- (Mo) und Wolfram- (Wo) Legierungen

Hochschmelzende Metalle wie Molybdän oder Wolfram werden im Industrieofenbau bis etwa 1600°C bzw. 2400°C eingesetzt, d.h. die maximale Einsatztemperatur bleibt etwa 1000°C unterhalb des Schmelzpunktes. Aufgrund der enormen Kosten dieser Heizelemente ist die Anwendung auf spezielle Bereiche konzentriert. Hierzu zählen die chemisch reduzierenden Anwendungsbereiche, die Hochvakuumtechnik als auch die Sintertechnologie, d.h. Bereiche in denen chemische Angriffe auf andere Ofenbaustoffe erfolgen würde oder eine erhöhte Oberfläche von Heizleiter- und Isolationsmaterial, wie sie bei Graphitwerkstoffen beispielsweise vorliegt, störend wirkt.

Keramische Heizleiterwerkstoffe

Zu den keramischen Heizleiterwerkstoffen gehören Siliziumkarbid (SiC), das bis 1600 °C verwendet wird, Molybdändisilizid (MoSi2) für Anwendungstemperaturen bis 1850 °C und Graphit. Letzteres kann nur in reduzierenden und inerten Atmosphären sowie im Vakuum eingesetzt werden, hier allerdings bis 3000 C.

Siliziumkarbid (SiC)

Siliziumkarbid-Heizelemente werden aus hochreinen alpha-SiC-Materialien hergestellt und werden im Temperaturbereich zwischen 600°C und 1600°C an Luft oder in kontrollierten Atmosphären eingesetzt. SiC-Heizelemente können in vertikaler oder horizontaler Ausrichtung eingebaut werden.

SiC-Heizelemente bestehen in der Regel aus einer mittleren heißen Zone und zwei kalten Enden, die mit einer Siliziumlegierung imprägniert sind. Der spezifische Widerstand in der mittigen Heizzone ist wesentlich höher als in den kalten Zonen, sodass der größere Teil der Wärme in der Heizzone erzeugt wird. SiC-Heizstäbe weisen Durchmesser von etwa 10 bis 50 mm auf. 

Molybdändisilizid (MoSi2)

MoSi2-Heizelemente werden pulvermetallurgisch hergestellt und sind bis zu Temperaturen von 1900°C einzusetzen. Analog den hochtemperaturbeständigen Aluminium- oder Silizium-Oxidschichten der bereits genannten Heizleiterwerkstoffen, bildet das im Material vorliegende Silizium eine Quarzschicht (SiO2). Stickstoff-, Argon- oder Wasserstoffatmosphären reduzieren die maximale Elementtemperatur erheblich.

Graphit

Graphitheizelemente sind in reduzierender oder Schutzgasatmosphäre bis etwa 3000°C einzusetzten. Für den Einsatz unter oxidierender Atmosphäre können diese Heizelemente mit oxidationshemmenden Schutzschichten ausgestattet werden. Im Gegensatz zu metallischen Heizleiterwerkstoffen, deren Festigkeitswerte mit zunehmender Temperatur absinken, nehmen die Festigkeitswerte der Kohlenstoffwerkstoffe bis etwa 2000°C zu. Die Anwendungsbereiche dieser Heizelemente sind Sinteröfen, HIP-Anlagen, Vakuumanlagen oder auch Kristallziehanlagen.

Formen elektrischer Widerstandsheizelemente

Neben dem Material unterscheiden sich Heizelemente durch ihre Form. Metallische Elemente werden aus Drähten oder Bändern in verschiedenen Durchmessern und Breiten hergestellt. Metallelemente zeichnen sich durch ihre mechanische Robustheit aus, sind einfach zu regeln und preiswert. Sie können frei aufgehängt werden, auf Unterstützungskonstruktionen gelagert oder aber in Träger eingebettet werden. 

Neben Wendeln, Schlangen etc. sind viele weitergehend auf den Verwendungszweck zugeschnittenen Elemente erhältlich. Eingebettete Elemente in vorgefertigten Fasermodulen ermöglichen einen sehr schnell und einfachen Aufbau von Öfen (z.B. Rohröfen). Keramische Heizelemente werden in Standardausführungen hergestellt. Allgemein erfordern keramische Elemente eine aufwendigere Regelung als metallische. Zudem sind sie mechanisch vergleichsweise empfindlich. Für den Einbau keramischer Elemente stehen Systeme zur Verfügung, das ihnen eine große Breite möglicher Anwendungen sichert. Der Hauptvorteil der keramischen Elemente liegt in den hohen Anwendungstemperaturen. 

SiC-Elemente sind als Rohrelemente und als Stäbe verfügbar. Neben Stabelementen sind mehrschenklige Ausführungen für Mehrphasenanschluß erhältlich. Für solche Elemente werden mehrere einfache Stäbe an einem Ende durch einen kurzen Querstab zusammengefügt. 

Molybdändisilizidelemente kommen vor allem bei Hochtemperaturanwendungen zum Einsatz. Sie erfordern spezielle, meist hängende Einbauweisen, da sie im Betrieb erweichen. Neben der hohen Anwendungstemperatur weisen sie eine lange Lebensdauer auf.

Betriebsweisen

Um eine möglichst lange Lebensdauer der Heizelemente zu erzielen, muss deren maximal zulässige Elementtemperatur eingehalten werden. Die Elementhersteller geben hierfür einzuhaltende Richtwerte für zwei Kenngrößen, die Elementbelastung und die Wandbelastung, vor. Die Elementbelastung ist die Leistungsdichte auf der Elementoberfläche. Grundsätzlich wächst die maximale Leistungsdichte an der Elementoberfläche nach dem Gesetz von Stefan-Boltzmann mit der vierten Potenz der Temperatur. Praktisch wird sie durch Rückstrahlung von den Ofenwänden und vom Erwärmungsgut stark begrenzt. Die Wandbelastung ist die auf die Wandfläche des Ofens konzentrierte Leistungsdichte. Für eine richtige und gleichmäßige Temperaturverteilung im Ofen müssen ausreichende Wandflächen zur Verfügung stehen. Die zulässigen Werte für die Element- und Wandbelastung sinken mit zunehmender Ofentemperatur. Zudem hängen sie von der Art und Anordnung der Heizelemente ab. 

Zusammenfassung und Vergleiche

Elektrische Widerstandsheizelemente werden je nach Anwendungsfall und -temperatur in einer Vielzahl unterschiedlich Materialien realisiert. Dabei unterliegt die geometrische Gestalt der Werkstücke kaum Einschränkungen. In geschlossenen, mittelbar widerstandserwärmten Öfen lassen sich kontrollierte Prozessatmosphären realisieren. Zuverlässige und einfache Konstruktionen gewährleisten eine hohe Betriebssicherheit und Zuverlässigkeit, so können Heizelemente bei entsprechender konstruktiver Auslegung auch während des laufenden Betriebes gewechselt werden. Die Bedienung gestaltet sich mittels entsprechender Bedien- und Steuereinrichtungen sehr einfach. Die Temperaturen in den Öfen sind sehr präzise regelbar, eine Automatisierung der Anlagen ist leicht möglich. Schließlich sind die elektrisch widerstandsbeheizten Öfen einfach de- und remontierbar, alle Peripherieeinrichtungen können einfach verlegt werden. Lediglich ein Energieanschluß muß am Aufstellungsort verfügbar sein.

In wirtschaftlicher Hinsicht zeichnen sich die elektrisch widerstandsbeheizten Öfen durch geringe Investitionskosten aus, die Betriebskosten sind niedrig, der Einsatz der Öfen sehr flexibel und die Zuverlässigkeit sehr hoch. Elektrisch widerstandsbeheizte Öfen bedürfen als Elektroöfen keiner speziellen Genehmigung, wie sie für die Aufstellung brennstoffbeheizter Öfen erforderlich ist. Es sind keine besonderen Fundamentarbeiten und kein Schornsteinanschluß notwendig. Zudem zeichnen sich die Anlagen mit elektrischer Widerstandserwärmung durch eine lange Lebensdauer aus. Im Hinblick auf den Umwelt- und Arbeitsschutz sind insbesondere die geringe Lärm- und Wärmebelastung am Betriebsort zu nennen. Zudem treten hier keine Emissionen von Brennstoffabgasen auf.

Neben diesen Vorteilen gibt es auch einige Nachteile der elektrischen Widerstandserwärmung, die je nach Anwendungsfall berücksichtigt werden sollten. Dazu gehört zunächst, daß die installierbare Leistung begrenzt ist. Dies wurde anhand der Ausführungen zu Element- und Wandbelastung bereits deutlich. Zudem sind die Kosten für den Endenergieträger elektrische Energie vergleichsweise höher als diejenigen von Gas oder anderen fossilen Brennstoffen. Einige Heizelementwerkstoffe sind gegenüber bestimmten Ofenatmosphären empfindlich, bei brennstoffbeheizten oder unmittelbaren Erwärmungsverfahren, bei denen keine Heizelemente in der Ofenatmosphäre angeordnet sind, besteht diese Einschränkung nicht. Wirtschaftlich nachteilig kann eine eventuell notwendige Erhöhung der Anschlusskapazität und die zusätzliche Errichtung einer Trafostation bei der Neuaufstellung einer Anlage zur mittelbaren Widerstandserwärmung sein.

Aspekte zu elektrisch widerstandsbeheizten Öfen

Für die Produktion hochwertiger Gußteile spielt die Qualität der Schmelze eine entscheidende Rolle. Verunreinigungen der Schmelze gilt es zu vermeiden. Ebenso ist die exakte Temperaturführung und eine möglichst geringe Gasaufnahme durch die Schmelze zum Erzielen hoher Gußqualitäten von großer Bedeutung. 

Elektrisch widerstandsbeheizte Schmelzöfen erfüllen diese Anforderungen und tragen darüberhinaus zu einer Vermeidung von Umwelt- und Arbeitsplatzbelastungen bei, so daß eine Integration an den Gießplatz möglich ist. Der Nachteil liegt in der geringen Schmelzleistung und der im Vergleich zu brennstoffbeheizten Öfen höheren Energiekosten. Außerdem wird durch die bei brennstoffbeheizten Öfen notwendige Schmelzenreinigung ein Teil der Kostenersparnis aufgehoben. 

Prinzipieller Aufbau 

Elektrisch widerstandsbeheizte Tiegelöfen zum Schmelzen von Nichteisenmetallen bestehen aus einer Wärmequelle, einer Wärmeisolierung, einem Schmelztiegel und einer Einrichtung für die Regelung der Energiezufuhr. Tiegelschmelzöfen haben üblicherweise einen auswechselbarem Tiegel und sind feststehend oder kippbar ausgeführt. Zum Schmelzen von NE-Metallen werden überwiegend Tiegel aus Graphit oder Siliziumkarbid eingesetzt; Magnesiumlegierungen werden in Stahltiegeln geschmolzen. Stahltiegel können nicht für das Schmelzen von Aluminium eingesetzt werden, da Aluminium gegenüber Stahl eine hohe Reaktionsneigung besitzt und somit einen Stahltiegel schnell zerstören würde.

Heizelemente 

Elektrisch widerstandsbeheizte Tiegelöfen werden hinsichtlich der Anordnung der Heizelemente in zwei unterschiedliche Konstruktionstypen für Schmelztemperaturen bis 1200 °C unterschieden. Zum einen werden Schmelzöfen mit in Heizplatten eingezogenen Heizleitern und zum anderen mit auf Tragrohre aufgezogenen Heizelementen beheizt. 

Das System der auf Tragrohren aufgezogenen Heizelemente hat den Vorteil, dass über den gesamten Heizleiterumfang die Energie frei abgegeben wird. Dadurch wird, insbesondere im rauhen Schmelzbetrieb, die Lebensdauer der verwendeten Heizleitermaterialien entscheidend erhöht, da eine lokale Überhitzung unterbleibt. Außerdem ist durch die freie Wärmeabstrahlung eine schnellere und gleichmäßigere Temperaturverteilung möglich, wodurch zusätzlich Energie- bzw. Betriebskosten gesenkt werden können.

Ein weiterer Vorteil bei der Anordnung der Heizelemente im "Tragrohr-System" besteht darin, dass diese waagerecht verlaufen und somit bei einem Tiegelbruch nur das untere Heizelement beschädigt wird. Bei der in Heizplatten senkrechten Anordnung der Heizelemente bedeutet ein Schadensfall in der Regel eine vollständige Zerstörung aller Heizelemente, da alle Heizplatten von der Schmelze erreicht werden. Dadurch sind beim Heizplatten-Ofen die Schadenskosten im Falle eines Tiegelbruchs in der Regel höher.

Heizpanels sind Heizwendeln, die in eine keramische Trägermasse eingegossen bzw. in eine Faserplatte eingebettet sind. Sie sollen den Vorteil besitzen, dass sie während des Betriebes ausgewechselt werden können. Dies stößt aber in der Praxis auf erhebliche arbeits- und vor allem sicherheitstechnische Probleme. 

Da der Heizdraht zu ca. 1/3 eingegossen ist, ist in diesem Bereich keine ausreichende Wärmeabgabe möglich, der einen Wärmestau zur Folge hat und somit die Standzeiten des Heizelementes – je nach Einsatztemperatur – deutlich herabsetzt. Diese Heizsysteme sollten deshalb nur für den Warmhaltebetrieb eingesetzt werden.

Heizpanels werden senkrecht in den Ofen eingebaut, um diese entsprechend auswechseln zu können. Bei einem Tiegelbruch sind daher in der Regel alle Panels zerstört, falls die Schmelze nicht schnell genug abläuft. Diese Gefahr besteht bei den auf Tragerohren aufgezogenen Elementen nicht. Hier ist, wenn überhaupt, nur das unterste Heizelement betroffen. 

Heizleitermaterialien

Im elektrisch widerstandsbeheizten Tiegelofenbau werden unterschiedliche Materialien und Qualitäten für verschiedene Anwendungen bzw. Anwendungstemperaturen aus Metalldraht oder Siliziumcarbid unterschieden.

Konventioneller Heizdraht besteht aus einer Aluminium- Chrom- Eisen – Legierung und lässt sich bis Ofenraumtemperaturen von 1360 °C einsetzten. Da er in Tiegelöfen einer Dauerbelastung ausgesetzt wird, sollte die max. Temperatur auf 1200 °C begrenzt werden. Es lässt sich somit eine Schmelzentemperatur im Tiegel von etwa 1050 °C erreichen. Da der Draht ein sehr gutes Temperatur/el. Widerstandsverhalten besitzt (geringe Widerstandsänderung in Abhängigkeit der Temperatur), wird bei dieser Art der Beheizung eine einfache Schaltanlage mit Schaltschützen eingesetzt.

Pulvermetallurgisch hergestellter APM-Heizdraht entspricht im wesentlichen der AF Qualität, lässt sich aber bis 1400°C belasten. Öfen mit dieser Drahtqualität sind für Ofenraumtemperaturen bis 1300 °C und eine Schmelzentemperatur von 1150 °C geeignet. Mit ihnen lassen sich u.a. auch höherschmelzende Kupferlegierungen behandeln. 

Siliziumcarbid-Stäbe eignen sich für Ofenraumtemperaturen bis 1450 °C und sind damit für Öfen zum Schmelzen von u.a. Bronzen geeignet. Siliziumcarbid-Stäbe weisen ein ungünstiges Temperatur/el. Widerstands – Verhalten auf, wodurch eine aufwendige thyristorgesteuerte Regelanlage erforderlich ist. Die Investitionskosten einer solchen Anlage liegen daher um etwa 100% über dem konventionell drahtbeheizter Öfen. Auch ist SiC – Stabmaterial teuer und empfindlich, was zu hohen Ersatzteilkosten führen kann. Darüber hinaus muss darauf geachtet werden, dass nur die Stäbe die zusammengeschaltet werden, die den gleichen el. Widerstand aufweisen, d. h. den gleichen Alterungszustand aufweisen, da gebrauchte Stäbe einen völlig anderen elektrischen Widerstand aufweisen als neue Stäbe. Dies führt dazu, dass oftmals ein ganzer Heizstrang ausgetauscht werden muss, wenn ein Stab defekt ist. 

 

Isolierung

Durch die Wahl bzw. Kombination der Isolierstoffe wird die Eigenschaft des Ofens hinsichtlich Energieverbrauch, Aufheizgeschwindigkeit und Schmelzleistung beeinflusst.

Es gilt: leichte Isolierstoffe weisen eine geringe mechanische Festigkeit hingegen ein hohes Isoliervermögen und eine geringe Wärmespeicherkapazität auf. Die max. Betriebstemperaturen sind (ausgenommen die keramische Faser) relativ niedrig. Schwere Isolierstoffe sind mechanisch hoch belastbar, haben eine große Wärmespeicherkapazität und eine geringere Isolierwirkung.

Rein faserisolierte Öfen haben, bei gleicher Isolierstärke, zwar eine geringere Speicherwärme, jedoch einen höheren Abstrahlungsverlust. Es hängt demnach von der Betriebsweise ab, ob eine Faserisolierung wirtschaftlich ist oder nicht.

Die Lebensdauer (Wartungsfreiheit) der Faseröfen ist gegenüber anderen Isolierungen geringer, da faserisolierte Öfen regelmäßig nachgearbeitet bzw. gestopft werden müssen, um das Isoliervermögen zu erhalten.

Durch eine optimale Kombination verschiedener Isolierstoffe (Ausnutzung des Isoliervermögens, der Speicherkapazität, der mechanischen. Festigkeit und der max Anwendungstemperatur) kann man somit den Ofen auf seinen jeweiligen Einsatz optimal anpassen. Der Ofenbauer kann durch eine geschickte Auswahl der verschiedenen Materialien den Energieverbrauch und die Standzeit der Isolierung beeinflussen. 

Ist der Ofen dauernd in Betrieb und wird (z. B. Tiegelofen) nur selten abgeschaltet, spielt die Speicherwärme eine untergeordnete Rolle, d. h. es können ohne weiteres schwere Isolierstoffe verwendet werden. Das führt dazu, dass die Lebensdauer der Auskleidung steigt. 

 

Ofentypen

Generell wird in tiegel- und tiegellose Schmelzöfen unterschieden. Bei der Auswahl ist zu berücksichtigen, dass heute eine hohe Flexilibität in Giessereien gefordert ist und in der Regel Kleinserien vergossen werden. Der Möglichkeit eines schnellen Legierungswechsels kommt somit eine entscheidende Bedeutung zu. Dies gilt sowohl für den Vorschmelz – als auch für den Warmhalteofen. Der Tiegelofen ist gegenüber dem tiegellosen Ofen in dieser Hinsicht überlegen. Durch einen schnellen Tiegelwechsel kann der Legierungswechsel im Ofen kurzfristig erfolgen. Beim tiegellosen Ofen ist der Legierungswechsel sehr aufwendig, da die Wanne sorgfältig gereinigt werden muß, um eine Vermischung der verschiedenen Legierungen zu vermeiden.

Schöpf-Tiegelöfen

Schöpföfen, die überwiegend zum Warmhalteöfen eingesetzt werden, weisen generell eine bessere Isolierung (geringere Wärmeverluste) und einen niedrigeren Anschlußwert als Schmelzöfen auf. Sie dienen zum Warmhalten von Schmelze, die mit Vergießtemperatur eingefüllt wird. Die geringeren Energieverluste werden durch eine Begrenzung der Temperaturen im Ofenraum erreicht. Dadurch ist es möglich, leichtere gut isolierende Materialien zu verwenden, bei begrenzter Ofenwandstärke. Warmhalteöfen sind es als Tiegelöfen oder tiegellose Badöfen verfügbar.

Kipp-Tiegelöfen

Kipp-Tiegelöfen werden überwiegend zum Schmelzen eingesetzt und weisen daher gegenüber Warmhalteöfen eine höhere Schmelzleistung, d.h. einen höheren elektrischen Anschlusswert auf. Ein Kippen des Ofens (elektro-hydraulisch oder pneumatisch) ermöglicht ein direktes Vergießen in Form oder zum Transport in Gießrinne oder Transportpfanne.

Tiegellose - Badöfen

Tiegellose Warmhalteöfen (Bad- oder Wannenöfen) eignen sich zum Warmhalten flüssigen Aluminiums. Die Wannen bestehen aus einem speziellen (meist hoch Al2O3 haltigen Material) das gemauert oder gegossen wird. Die Wannen erreichen eine Lebensdauer von 3 – 6 Jahren, je nach Vergießtemperatur, Pflege bzw. Legierung. Das wichtigste Kriterium für die Lebensdauer ist die Vergießtemperatur. Je höher diese ist, desto geringer ist die Lebensdauer. Sie sollte nicht über 720 °C liegen. Sind höhere Temperaturen notwendig empfiehlt sich der Einsatz eines Tiegel – Warmhalteofens.

Regelsysteme für Schmelz- und Warmhalteöfen

 

Indirekte Regelung

Die Regelung von Schmelz- und Warmhalteöfen erfolgt in der einfachsten Art über den Ofenraum. Das System ist preiswert und ist frei von Verschleiß von Badthermoelementen. Da Tiegel altern und die Temperaturdifferenz zwischen Ofenraum und Schmelzentemperatur, je nach geforderter Schmelzleistung, wechselt, muss der Bediener sehr sorgfältig regeln, sonst überhitzt die Schmelze, bzw. die Schmelzleitung wird nicht erreicht.

Direkte Regelung (Schmelzbadregelung)

Für die direkte Regelung der Schmelze sind zwei Messverfahren zu unterscheiden:

 Messung mittels Thermoelement

 Strahlungspyrometer (optische Messung)

Ein grundsätzliches Problem bei den herkömmlichen Meßverfahren ist die Meßgenauigkeit. Die Schmelzentemperatur bleibt nur solange stabil, wie der Meßpunkt (nicht das Ende des Schutzrohres) des Badthermoelementes noch ausreichend (mind. 15 cm) tief in die Schmelze eingetaucht ist. Fällt der Badspiegel zu tief, ergeben sich erhebliche Temperaturdifferenzen zwischen der gemessenen und der tatsächlichen Temperatur. Die Badtemperatur fällt ab, und der Ofenraum heizt auf. 

Am bekanntesten ist die Messung der Temperatur über ein in die Schmelze eingetauchtes Thermoelement. Da das Thermoelement vor der aggressiven AL – Schmelze geschützt werden muß, werden folgende Möglichbeiten eingesetzt:

Schutzrohre aus SiC oder Keramik

 

Am weitesten verbreitet ist dieses Prinzip. Es hat jedoch den Nachteil, das die Schutzrohre beim Schöpfen und Beschicken im Wege sind und mechanisch zerstört werden können. Die Reinigung des Tiegels wird ebenfalls erschwert. Aus Preisgründen werden als Schutzrohre meist SiC Rohre verwendet, die aber wegen ihrer großen Wandstärke (im Verhältnis zu den Keramikrohren) eine ungenauere Regelung zur Folge haben.

Thermoelente in der Tiegelwand

 

Thermoelemente in der Tiegelwand haben den Vorteil, dass sehr preiswerte Mantelthermoelemente verwendet werden können. In der Regel lässt sich die Bohrung jedoch nicht tief genug in den Tiegel einbringen, wodurch eine erhebliche Reduzierung der Schmelzleistung entstehen kann, da das Thermoelement die Tiegelwandtemperatur und nicht die Schmelztemperatur erfasst. Befindet sich der Badspiegel unterhalb des Meßpunktes heizt die Tiegelwand sich schnell auf und der Ofen fängt an zu regeln. Erst wenn der Badspiegel oberhalb des Meßpunktes sitzt, wird die Wärme durch das flüssige AL rasch abgeführt und die Regelqualität steigt erheblich.

In den Tiegel eingeformte „Taschen“

 

Thermoelemente in eingeformten Taschen können dagegen bis in den Boden geführt werden, sie befinden sich also in der Regel immer unterhalb des Badspiegels. Sie ermöglichen deshalb eine gute Regelung. Auch können bei diesem Verfahren preiswerte Mantelthermoelemente verwendet werden.

Es werden im Ofenbau auch Meßmethoden verwendet, bei der die Schmelzentemperatur optisch (Strahlungspyrometer) gemessen wird. Dieses Verfahren ist jedoch sehr teuer und aufwendig, deshalb wird es nur in Sonderfällen eingesetzt.

 

Kaskaden Regelung

Bei einer Kaskaden Regelung wird der Sollwert vom Ofenraumregler über den Schmelzbadregler ständig verändert, damit er sich der aktuellen Temperatur in der Schmelze oder im Salzbad anpasst. Der Schmelzbadregler erhöht oder verringert den SoIlwert des Oferaumreglers. 

Während der Anheizphase liegt die tatsächliche Schmelzentemperatur weit unterhalb der geforderten Temperatur (Sollwert). Der Badregler erhöht deshalb den Sollwert des Ofenraumes soweit wie möglich. Je näher die tatsächliche Schmelzentemperatur dem gewünschten Sollwert kommt, desto weiter wird der Sollwert im Ofenraum reduziert. Dies ist notwendig, da zum Halten der Schmelzentemperatur eine bestimmte Temperaturdifferenz zwischen Ofenraum und Schmelzentemperatur erforderlich ist. Ist die Temperaturdifferenz höher als nötig, wird die Schmelze heißer als gewünscht. 

Der Energietransport in den Tiegel und damit die Schmelzleistung ist von der Höhe der Temperaturdifferenz zwischen Schmelze und Ofenraum abhängig, d.h. je höher die Temperaturdifferenz ist, desto größer ist der Energietransport. Um einen optimalen Energietransport zu gewährleisten, erhöht der Badregler den Sollwert bis zu + 200 °C, wenn die Schmelzentemperatur niedriger ist als gewünscht und reduziert den Sollwert bis zu 200 °C, wenn die Schmelzentemperatur erreicht ist. Dies stellt sicher, daß die größtmögliche Schmelzleistung erreicht wird und die Temperatur möglichst genau gehalten wird.

Während der Beschickungsphase kühlt die Schmelze durch die Zugabe frischen Materials wieder ab. Der Badregler erhöht umgehend den Sollwert im Ofenraum und die Isttemperatur im Ofenraum steigt an. Die Temperaturdifferenz zwischen Schmelze und Ofenraum wird größer, so dass der größtmögliche Energietransport in den Tiegel gewährleistet ist. Wird die gewünschte Schmelzentemperatur wieder erreicht, reduziert der Badregler die Sollwerte des Ofenraumreglers so rechtzeitig, dass die Sollwert-Temperatur in der Schmelze nicht überschritten wird.

 

Schaltanlagen für Schmelz- und Warmhalteöfen

Schützsteuerungen

Ein Schaltschütz ist ein mechanischer Schalter, der über den Regler angesteuert und die Heizleistung ein bzw. ausschaltet. Da das Schütz mechanisch arbeitet, unterliegt es einem Verschleiß und ist außerdem mit einem nicht unerheblichen Geräuschpegel verbunden. Um eine lange Lebensdauer dieser Elemente zu erreichen, wird die Schalthäufigkeit begrenzt. Die Leistung wird in der Regel nicht mehr als 2 mal pro Minute geschaltet. Dadurch erzielt ein Schaltschütz eine garantierte Häufigkeit ca. 1.000.000 Schaltungen. Diese Begrenzung hat zwangsläufig Einfluß auf die Genauigkeit der Regelung, d. h. Schützregelungen sind nicht so genau wie Thyristorregelungen.

 

Thyristorsteuerungen

Thyristoren sind Halbleiterbausteine, die in der Lage sind die elektrische Leistung elektronisch, ohne mechanische (bewegliche) Teile ein bzw. auszuschalten. Dadurch sind sie in der Lage ohne Verschleiß bis zu 50 mal pro Sekunde zu schalten. 

Thyristor Schaltanlagen haben, gegenüber herkömmlichen schützgesteuerten Schaltanlagen, den Vorteil, dass sie eine höhere Schaltfrequenz, eine genauere Temperaturführung in der Schmelze und eine erhöhte die Lebensdauer der Heizung zur Folge haben. Die Stromabnahme und die Belastung der Heizleiter wird wesentlich gleichmäßiger. Dem steht jedoch der Nachteil des höheren Anschaffungspreises gegenüber. Der Preis resultiert daraus, dass alle Bauteile aus Sicherheitsgründen doppelt ausgelegt werden müssen, weil Thyristoren kein sicheres (mechanisches) Abschalten der Anlage erlauben. Daher müssen immer auch Sicherheitsschütze in die Anlagen eingebaut werden. Dies verteuert Thyristoranlagen gegenüber Anlagen mit Schaltschützen.

Verfahren und Anwendungen

Die Ursprünge der Gusstechnik gehen auf die Bronzezeit um etwa 2500 v. Chr. zurück. Bienenwachs diente damals als Modellstoff den es zu formen galt, Lehm als den umkleidenden Formstoff. Nach dem Trocknen des Lehms wurde das Wachs ausgeschmolzen und die hohle Form für den anschließenden Gießprozess gebrannt (Prinzip Feinguß). Heute finden Gussbauteile in nahezu allen Bereichen Anwendung. Getriebe- und Motorengehäuse, Zylinderköpfe, Karosserien, Ölwannen, Räder, Rahmen, Flugzeugtüren, Fahrwerke, Instrumentenaufnahmen im Cockpit sind nur einige der vielen high-tech Produkte aus NE-Metall-Gußbauteilen.

Schmelztemperaturen von Nichteisenmetallen und deren Legierungen

Die Automobil- und Luftfahrtindustrie sind die wesentlichen Einsatzfelder von Hochleistungsgussbauteilen. Extremer Leichtbau bei höchstmöglicher Qualität und Festigkeit. Die Wahl des optimalen Gussverfahrens richtet sich nach der Geometrie und metallurgischen Anforderung des Bauteils. Es sind hier die Verfahren Fein-, Sand-, Kokillen- und Druckgiessen zu unterschieden, wobei die beiden letztgenannten Verfahren aktuell etwa 30 % bzw. 50 % des Aluminium-Gußabsatzes in Deutschland ausmachen.

Kupfer-, Messingbauteile (Kupfer-Zink) und Aluminiumbronzen (Kupfer-Eisen-Aluminium) werden als Konstruktionsteile mit mittlerer und hoher Festigkeit bis etwa 750 N/mm² eingesetzt. Im Maschinenbau als auch der Bauindustrie werden diese Legierungen zu Gehäuse, Hebel, Kontakte, Lager, Beschläge oder Getriebeelemente. Die guten Eigenschaften dieser Legierungen liegen vor allem in der hohen elektrischen Leitfähigkeit und der Hochtemperatur-Oxidationsbeständigkeit, d.h. ein Verzundern tritt erst oberhalb 800°C auf.

Moderne Gussbauteile aus Nichteisenlegierungen unterliegen einer immer stärkeren Anforderung hinsichtlich mechanischer Beanspruchuchbarkeit, d.h. Härte und Festigkeit. Die Ausscheidungshärtung, die seit über hundert Jahren bekannt ist, ist das entscheidende Verfahren zur Festigkeitssteigerung von Aluminiumlegierungen. Je nach Legierungszusammensetzung wird bei dieser Form der Wärmebehandlung bei etwa 480-520 °C lösungsgeglüht und anschließend bei 170-200°C warmausgelagert oder bei Umgebungstemperatur kaltausgelagert.

Das Lösungsglühen von Kupferlegierungen findet in der Regel zweistufig in gleichem Temperaturbereich bis 520°C statt, während das Warmauslagern ebenfalls zweistufig bei bis zu 250°C durchgeführt werden kann. Das Ziel dieser Wärmebehandlung ist wie bei Aluminiumlegierungen eine optimale Form, Größe und Verteilung der Ausscheidungen zu erreichen, so dass höchste Härte und Festigkeitswerte bei einer relativ hohen Dehnung erreicht werden kann.

Im Vergleich zum Härten von Stahl birgt die verhältnismäßig hohe Abkühlgeschwindigkeit bei NE-Legierungen die Gefahr der Bildung von eigenspannungsbedingten Verformungen und Rissen vor allem bei Bauteilen mit komplexer Geometrie.

Zusammenfassung

Das Schmelzen von Metallen nimmt mit bis zu 25 % einen nicht unerheblichen Anteil an den Gesamtproduktionskosten von Gussteilen ein. Mehr als die Hälfte des Energieverbrauchs einer Giesserei wird für den reinen Schmelzbetrieb benötigt. Es ist daher ein wesentliches Ziel und Anforderung an den Ofenbau, wirtschaftliche Anlagenkonzepte zu liefern und den Wirkungsgrad von Schmelzöfen weiter zu verbessern. Neben dem wirtschaftlichen Betrieb ist bei der Auswahl von Schmelz- und Warmhalteöfen vor allem der auftretende Schmelzeabbrand, die Schmelzequalität, Umwelt- und Arbeitsplatzeinflüsse sowie Schmelzleistung und Zykluszeiten zu berücksichtigen.

Elektrisch Widerstandsbeheizte Schmelz- und Warmhalteöfen haben gegenüber brennstoffbeheizten Öfen zusammenfassend folgende Vorteile: 

• geringere Anschaffungskosten
  
• hohe Betriebssicherheit
  
• geringerer Energieverbrauch
  
• lange Standzeiten der Isolierung und der Tiegel
  
• geringe Umwelt- und Arbeitsplatzbelastung durch Lärm und Wärme
  
• geringer Materialverlust durch Abbrand
  
• hochwertige Qualität der Schmelze durch Vermeidung von Gasaufnahme 
  
• geringe Temperaturschwankungen in der Schmelze