Automatische SOLO Swiss-Retortenofenanlage für die Luftfahrt- und Automobilindustrie

SOLO Swiss, seit 1945 Hersteller von Atmosphärenöfen, hat kürzlich seine automatische Wärmebehandlungsanlage Typ Profitherm 1000 für die asiatische Luftfahrt- und Automobilindustrie in Betrieb genommen. 

Diese SOLO Swiss-Anlage wurde für die Bearbeitung von bis zu 3 m langen Elementen wie beispielsweise Antriebswellen aus Stahl 45CrNiMoVA entwickelt und besteht aus einer Chargentransportglocke, einem vertikalen Retortenofen zum Austenitisieren, Einsatzhärten und Karbonitrieren bei bis zu 950°C, einem 120°C heißen Ölabschreckbad, einem N2-Anlassofen,einer Waschanlage mit Entöler, einem Chargenlade-, -entlade- und -lagermagazin sowie einem Steuer- und Überwachungssystem von AXRON Swiss Technology (www.axron.com). Die Wärmebehandlung findet unter Atmosphäre statt, um jede Oberflächenveränderung von Teilen mit geringem Durchmesser zu verhindern. 

Kundenleistungsauftrag:

–     Homogenes Härten über die gesamte Teillänge

–     Entkohlen unter 0,05 mm

–     Kein Aufkohlen und homogene Struktur gemäß nationalem Standard der chinesischen Luftfahrt HB5354

–     Keine Überschreitungsmarge der Kohlenstoffpotenzialvorschrift

–     Mikrostruktur nach dem Härten: Karbid der Klasse ≤ image type 3; Martensit der Klasse ≤ image type 3; Restaustenit der Klasse ≤ image type 3

–     Streng kontrolliertes und stabil zwischen 0,4-0,6 % liegendes Kohlenstoffpotenzial

–     Kontrolle der Wasserstoffanreicherung

–     Erwärmung einer 1000 kg schweren Charge in weniger als 2,5 Std.

–     Ofentemperaturhomogenität ± 8°C

–     Genaue Temperaturkontrolle von ± 1°C

–     Präzise Kohlenstoffpotenzialkontrolle bei ±0,05 %

–     Erforderliche Gase: N2, C3H8, CH3OH+N2

–     Dimensionen am Boden: Länge 20 m, Breite 4 m, Tiefe 5 m, Höhe 5,10 m

–     Einfaches und benutzerfreundliches System

–     Leicht ausführbare Reparaturen, Instandhaltung und Wartung

Die Anlage kann in der Luft- und Raumfahrtindustrie sowie der Rüstungs- und Automobilindustrie für die Bearbeitung von Chargen mit bis zu 850 mm Durchmesser, 3.000 mm Höhe und einem Gewicht von 1.000 kg eingesetzt werden. 

 

 

Chargentransport auf der Anlage wie im Schema Abb. 1 aufgezeigt:

 

Abb. 1

Die Charge wird von der bedienenden Person an der Station 2 vorbereitet.

Beim Start des Bearbeitungsverfahrens wird die Charge mit Hilfe des Transportbandes Nr. 1 auf die erste programmierte Station des Bearbeitungszyklus befördert, in diesem Fall der Härteofen (Station 3).

Sobald die Charge im Ofen platziert ist, kann der Zyklus starten.

Die Beförderung der Charge vom Ofen bis ins Ölabschreckbad (Station 4) erfolgt durch das Transportband (Glocke) unter Schutzgas. Nach Positionierung der Glocke auf dem Ölabschreckbad nimmt der Lastenaufzug der Transportglocke die Charge entgegen und taucht sie in das Abschreckbad ein. Der Transport vom Ofen bis ins Abschreckbad dauert weniger als zehn Sekunden.

Nach dem Härten werden die Teile in die Waschanlage gegeben (Station 5), um anschließend, je nach gewähltem Bearbeitungsverfahren, in den Anlassofen weitertransportiert zu werden.

Die Gase:

Im vorliegenden Fall werden die Teile mit einem von einer Sauerstoffsonde und einem CO/CO2-Analysator überwachten Kohlenstoffpotenzial bearbeitet.

Durch direkte Methanolspaltung wird im Härteofen die Atmosphäre erzeugt.

Das Gasversorgungssystem besteht aus:

– zwei durch Stickstoff eingesprühten, kontrollierten Mengen Methanol: einer kleinen Einspritzmenge für die Chargenbearbeitung und einer großen für den Chargentransport;

– einem Massenstrommesser für Propangas, Luft und Ammoniak;

– drei einzeln einstellbaren Einspritzmengen Stickstoff (Sicherheit, Entleerung und Zyklus).

So wird in nur wenigen Augenblicken aus einer Methanolatmosphäre eine Methanol-/Stickstoffatmosphäre, was ein Arbeiten sowohl mit 32 %-igem Kohlenstoffmonoxid ermöglicht, um hohe Übertragungskoeffizienten zu nutzen, als auch mit niedrigeren Kohlenstoffmonoxidwerten, um die intergranulare Oxydation einzuschränken und den Wasserstoffanteil in der einsatzhärtenden Atmosphäre zu verringern.

Das Bearbeitungsverfahren kann aus so vielen Verfahrensschritten wie nötig zusammengesetzt werden. Für jeden Verfahrensschritt werden die nachstehend genannten Parameter eingegeben: Temperatur, Temperaturanstiegsgeschwindigkeit, Haltezeit der Verfahrensstufe, Turbinengeschwindigkeit, Wahl des Trägergases, Wahl des Zusatzgases (NH3), CO-Wert, Kohlenstoffpotenzialregelung, Wahl des Kohlenstoffpotenzial-Messelementes (Sonde oder Analysator), Kohlenstoffpotenzial-regelung ohne Luft oder Propangas usw. Das Bearbeitungsverfahren wird zu einem wahren Metallverarbeitungsrezept, in dem jeder Parameter eine Zutat ist, die zur Verfahrensoptimierung beliebig verändert und angepasst werden kann. Jede Verfahrensstufe entspricht beispielsweise einer Stoßofenzone, mit dem Unterschied, dass die Verfahrensschritte in diesem Falle unbegrenzt sind. 

Die Atmosphäre:

Die Zugabe von Methanol ergibt das hauptsächlich aus Kohlenstoffmonoxid und Wasserstoff bestehende Trägergas, das einen hervorragenden Kohlenstoff-Übertragungskoeffizienten aufweist.

CH3OH  CO + 2H2

CO + H20  CO2 + H2

CO + 3H2  CH4 + H20

2H2O  2H2 + O2

Die Potenzialregelung erfordert einen kohlenstoffreichen Flüssigkraftstoff ohne Sauerstoffgehalt, wie zum Beispiel Propan.

C3H8  3C + 4H2

Bei der Zersetzung von Propangas wird Kohlenstoff erzeugt, der sofort mit Dioxid reagiert, je nach Reaktion:

C + CO2  2CO

Der Flüssigkraftstoff hält den Kohlenstoffpotenzialwert auf einem konstanten Niveau.

Beim Karbonitrieren wird der Basisatmosphäre Ammoniak beigegeben. Ein Teil des aus der Ammoniakspaltung entstandenen Stickstoffes dringt in das Stahl-Kristallgitter ein und erhöht die Härtbarkeit des Stahls.

2NH3  N2 + 3H2

Die verschiedenen Module:

a.     Der Ofen: (Station 2)

Der Ofen verfügt über sechs unabhängige Wärmebereiche mit Kaskadenregelung, damit die vom Kunden geforderte Homogenität von ± 8°C auf der gesamten Ofenhöhe erreicht wird.

Er ist mit mehreren Gaseinspritzdüsen und einer hochmodernen Turbine mit Frequenzumrichter ausgestattet.

Eine Muffel (Glocke) aus hitzebeständigem Stahl bildet den Ofenkern und gewährleistet eine gute Gashomogenisierung und einen perfekten Austausch zwischen den Gasen und den zu bearbeitenden Teilen.

b.     Das Abschreckbad: (Station 4)

Das Abschreckbad hat ein Fassungsvermögen von 12.000 Liter Öl und verfügt über zwei Rührstäbe, die einzeln aktiviert werden können, um jegliche Verformungen an den langen Teilen weitestgehend zu verhindern. Der Kühler garantiert eine homogene Temperatur sogar beim Härten. Das Abschreckbad ist außerdem mit einer Stickstoff-Einspritzdüse ausgestattet.

c.     Die Transportglocke: (Station 1)

Mit Hilfe der Transportglocke können die Chargen in heißem oder kaltem Zustand befördert werden. Die Transportglocke besteht aus mehreren Gaseinspritzsystemen, die eine Übertragung unter Schutzatmosphäre vom Ofen zum Abschreckbad ermöglichen und jegliche Entkohlung oder Oxydation verhindern. Für einen besseren Schutz der Charge ist die Transportglocke mit einer Tür ausgestattet.

Die Chargenbeförderung von einer Station zur anderen findet mit variabler Geschwindigkeit statt.

Der Regler des Transportglocken-Beförderungssystems garantiert eine präzise Positionierung.

d.     Die Waschanlage: (Station 5)

Sie besteht aus zwei stufenförmig angeordneten Becken, einem Besprengungssystem mit verstellbaren Düsenleisten und einem Heizsystem für ein bis zu 100°C heißes Reinigungsbad.

Ein an die Waschanlage angeschlossener Ölfänger trennt das Öl vom Wasser und recycelt das Waschwasser.

e.     Der Anlassofen: (Station 6)

Der Anlassofen kann Temperaturen von bis zu 650°C erreichen und verfügt über  Schutzgas und eine ausgerichtete Flügelturbine, für eine bessere Homogenisierung der Temperatur bei ca. 180°C. 

f.      Die Vorbereitungsstation (Station 2)

Sobald die Charge vollständig von der bedienenden Person vorbereitet worden ist, wird sie in diese Übergangsstation gegeben, bevor sie durch die Transportglocke (Station 1) in den Ofen befördert wird.

 

 

 

 

 

 

g.     Das AXRON-Überwachungs- und Kontrollsystem:

Dank seines grafischen und intuitiven Interface ist das AXRON-System einfach zu bedienen: Die verständlichen Funktionen mit Texten und Alarmsignalen in der Sprache des Kunden ermöglichen eine eigenständige und einfache Bedienung. Das System wurde auf der Grundlage der neuesten Industriestandards mit zu 100 % von Siemens stammendem, erweiterbarem Material entwickelt. Die Software ist ebenfalls erweiterbar sowie modular, präzise und sicher: Sicherheit von Atmosphärenprozessen gemäß ATEX-Direktive.

Funktionalitäten:

–     Temperaturregelung (Kaskade).

–     Regelung des Kohlenstoffanteils (O2-Sonde und CO-CO2-Analysator).

–     Offline-Simulation und Online-Berechnung des Kohlenstoff-Diffusionsprofils im Raum, der effizienten Tiefe, Kohlenstoffoberfläche und Gewichtszunahme.

–     Eingabebildschirm für die Kalibrierungsparameter der Instrumente und Messsensoren (SAT) und des Heizraumes (TUS); Rückverfolgbarkeit aller Parameteränderungen (Datum, Uhrzeit und Name der bedienenden Person).

–     Verwaltung der Produktfamilien, mit Angaben zu Bearbeitungsverfahren, Zyklus, Unterzyklus und Verfahrensschritt; Verarbeitungsstruktur und äußerst körnige funktionale Elemente. Ein-/Ausschalten gemäß einem wöchentlichen Kalender, verzögerter Bearbeitungsstart.

–     Teileverwaltung: Eingabe diverser Informationen bezüglich des Teils (Name, Vorgang, Gewicht, Kunde, Kommentare und Ladeinformationen); Verhältnis Teil-Produktfamilie.

–     Verwaltung der chargenorientierten Archive mit zahlreichen Suchkriterien, die individuell für den Kunden konfiguriert werden können (Datum, Produktfamilie, Teil, Bestellnummer, Fertigungsauftrag, Item 1, Item 2). Erstellung von Papierberichten.

–     Automatisierung des Lade- und Entladevorgangs und der Härtesequenz, mit gesicherten Funktionen zur manuellen Steuerung; vollständige Automatisierung der Installation.

Beispiel archivierter Daten (Trends):

Dank dieser soliden Grundlagen verfügt der Kunde über:

  • einen garantierten Fortbestand seiner technischen Wahl und eine hervorragende Lebensdauer seines Systems,
  • ein System mit ständig verbesserter Ergonomie,
  • Flexibilität und Reaktionsfähigkeit im Störungsfall,
  • eine vereinfachte Integrierung in sein Produktionsmanagement.

Die Praxis zeigt, dass die Inbetriebnahmezeiten mit einem derartigen System und einem von Anfang an sehr von den Bedienern geschätzten Interface um die Hälfte verkürzt werden können.

Vorteile der SOLO Swiss-Anlage:

–     Sicherheit: kein Kontakt mit den heißen Elementen.

–     Qualität: keine Oxydation während des Transports.

–     Zuverlässigkeit: automatischer Transfer vom Ofen zum Abschreckbad.

–     Verminderte Freisetzung von Abgasen: Das Härten erfolgt in einem geschlossenen Umfeld.

–     Sparsam: Dank der die Charge umgebenden Muffel sinkt der Gasverbrauch bei der Bearbeitung stark, was Kosteneinsparungen gegenüber klassischen Batch-Öfen bedeutet.

–     Homogenität des Härteprozesses: Die Beschaffenheit des von der Heizkammer getrennten Härtebeckens garantiert eine perfekte Homogenität des Härteprozesses auf allen bearbeiteten Teilen, dank der Qualität des Wärmeaustausches bei der Abkühlung, die niemals mit einem Batch-Ofen erreicht werden könnte.

–  Präzision: Der direkte Übergang Ofen/Abschreckbad gewährleistet eine verbesserte Temperaturkontrolle während des Härteprozesses.

–  Einfache Wartung dank der leichten Zugänglichkeit aller mechanischen Elemente.

–  Keine Verformung der Verschleißteile: keine mechanische Bewegung bei hohen Temperaturen und Steigerung der Lebensdauer der Teile.

–  Unabhängige Ofen-/Abschreckbadmodule: maximale Nutzungsoptimierung und hohe Nutzungsrate.

–  Zylinderförmige Muffel für verbesserte Leistung: Reproduzierbarkeit und perfekte Homogenität (± 5°C).

–  Das Bearbeitungsgas tritt nur mit den Elementen aus hitzebeständigem Stahl in Kontakt: Schneller Wechsel und perfekte thermochemische Homogenität, was zu bedeutender Energieersparnis gegenüber einem Batch-Ofen führt.

–  Muffel aus hitzebeständigem Stahl, die eine schnelle Atmosphärenaufbereitung der unterschiedlichen gewünschten Bearbeitungsverfahren ermöglicht.

Hinsichtlich der Ergebnisse stellt diese Retortenofenanlage mit Transportzelle unter Schutzgasatmosphäre eine interessante Lösung für Kunden dar, die lange Teile bearbeiten möchten, und das mit einer ähnlichen Qualität wie die einer Bearbeitung in Glockenöfen.

Kontakt: Ouisa Bousbain
SOLO Swiss Group
www.soloswiss.com
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SOLO Swiss manufactures advanced industrial furnaces for the heat treatment of metals. SOLO Swiss offers atmosphere furnaces, batch furnaces, bell-type furnaces, continuous furnaces, mesh belt furnaces used in variety of heat treatment processes: carburizing, hardening, tempering, annealing, austempering, nitriding, brazing, carbonitriding, sintering, nitrocarburising, oxinitriding, quenching.

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