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Abb. 7: Berechnete Temperaturverteilung (links) und Spannungsverteilung (rechts) bei der Erwärmung/Austenitisierung von Schmiedeblöcken
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Abb. 8: Durchwärmungsmessung mit Versuchsblock
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Abb. 9: Maske zur Nutzung des regelbasierten Systems
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Neue Verfahren und Instrumente II

Simulationsmodelle für Auslegung und Optimierung (CFD, Comsol)

Der konvektive Wärmeeintrag kann über die Strömungsführung der Ofenatmosphäre gezielt erhöht werden, meist erfolgt das über eine Anhebung der mittleren Strömungsgeschwindigkeit. Hierfür Umwälzgebläse einzusetzen, die hohe Materialanforderungen stellen, war oft aus wirtschaftlichen Gründen nicht möglich. In einem neuen Verfahren wurden die über die Brenner in den Ofenraum eingedüsten Impulsströme der Verbrennungsgase zur einzig treibenden Kraft der Atmosphärenumwälzung. Um diese gezielt zu erhöhen, wurden zwei neuartige Beheizungsverfahren entwickelt. Die Grundlagen hierfür wurden mittels Untersuchungen der Verbrennungstechnik, der Strömungsbedingungen und des Wärmeübergangs mit numerischen Simulationsrechnungen
(Abb. 6) und Technikumserprobung geschaffen. Mit dieser neuen Entwicklung lassen sich viele Wärmverfahren effizienter realisieren.Um die geforderte Produktqualität und Energieeffizienz zu erreichen, muss man die Nutzguteigenschaften während der Erwärmung und Wärmebehandlung genau kennen. Im Regelfall sind derartige Messungen während des Prozesses jedoch nicht möglich. Ein neu entwickeltes FEM-Simulationsmodell ist in der Lage, die Temperatur, den thermischen, elastischen, plastischen, umwandlungsbedingten und umwandlungsplastischen Spannungs-/ Dehnungszustand sowie die diffusionsgesteuerte oder diffusionslose Phasenumwandlung des Nutzgutes in allen Prozessstufen der Erwärmung und Wärmebehandlung zu beschreiben. Das Simulationsmodell wird zurzeit für die Entwicklung, Auslegung und Optimierung eines im Aufbau befindlichen, neuen Anlagenverbundes genutzt. Dieser besteht aus Kühlstrecken, Durchlaufofen und Härtebecken zur Wärmebehandlung nahtlos gewalzter Ringe direkt aus der Walzhitze. Es wird pro t Wärmebehandlungsgut eine Brennstoffeinsparung von ca. 18 Nm³ Erdgas und somit eine Reduzierung des CO2-Ausstoßes von ca. 33,3 kg erwartet. Bei einem geplanten Materialdurchsatz von ca. 26.500 t Nutzgut pro Jahr entspricht dies einer jährlichen Einsparung von ca. 477.000 Nm³ Erdgas und einer Reduzierung des CO2-Ausstoßes von 882 t pro Jahr. In einer weiteren aktuellen Anwendung wird das Simulationsmodell genutzt, die Austenitisierung von Schmiedeblöcken in Chargenöfen hinsichtlich Ofenfahrweise und -belegung zu optimieren. Damit kann die Erwärmung und Umwandlung der Blöcke möglichst spannungsarm und mit hoher Energieeffizienz erfolgen (Abb. 7).

Chargenofenmodell

Mit dem Chargenofenmodell können mittels Simulationsrechnung Ofenreisen nach Liegezeit und Energieeinsatz optimiert werden. Ein derartiges Modell kann offline als Schulungs- und Planungssystem sowie online als Prozessbeobachter und für Ziehzeitprognosen eingesetzt werden. So ist die Entwicklung optimaler Heizkurven und Ofenbelegungen möglich. Damit kann die betriebliche Planung verbessert und der Durchsatz erhöht werden. Das System ist vollständig innerhalb einer ORACLE-Datenbank realisiert und besitzt eine komfortable grafische Benutzeroberfläche.

Ofenführung mit Modellen

Die modellgestützte Ofenführung hat ein breites Anwendungsspektrum, auch für kleine Anlagenbetreiber. Die verschiedenen Optimierungsziele lassen sich definieren, z. B. minimierter Energieaufwand, gleichmäßige Durchwärmung oder die Verringerung von Zunder- und Spannungseffekten. Das Bedienpersonal wird einerseits von Routineaufgaben  entlastet, andererseits kann auch unter irregulären Prozessbedingungen eine optimale Ofenfahrweise gewährleistet werden. Wesentliche Verbesserungen gegenüber dem Betrieb „von Hand“ sind hierbei die automatisierte Anpassung der Prozessführung an Schwankungen der Prozessgasversorgung, unterschiedlichen Materialfluss sowie die Reaktion auf Produktionsunterbrechungen. Die sich hierbei ergebenden Kosteneinsparungen und Qualitätsverbesserungen führen schnell zu wirtschaftlichen Vorteilen. Verschiedene Anlagenbetreiber setzen das Verfahren bereits erfolgreich ein. Das teilweise in Jahrzehnten gesammelte Wissen über Prozesse und Anlagen liegt oft allein in der Hand einiger weniger hochqualifizierter Mitarbeiter. Die Sicherung und  konsequente Anwendung dieses Wissensschatzes kann über regelbasierte Systeme erfolgen. Mit diesen lassen sich Prozesse führen, dokumentieren und optimieren. Bei einigen Anwendungsfällen sind diese regelbasierten Systeme modellbasierten Systemen übergeordnet. Dies gilt insbesondere dann, wenn sich Vorgaben zur Prozessführung nicht oder nur schwer analytisch darstellen lassen. Diese Lösung wird aktuell bereits bei Ofenführungssystemen und Sinteranlagen eingesetzt.

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