Die Behandlung von metallischen Werkstoffen und Werkstücken in sogenannten Wärmebehandlungsöfen zielt darauf ab, Spannungen im Metall abzubauen, das kristalline Gefüge zu verändern oder Änderungen der chemischen Zusammensetzung herbeizuführen. Hierzu werden die metallischen Werkstoffe und Werkstücke in einem häufig indirekt über Strahlungswärme beheizten Ofen einer bestimmten Prozessatmosphäre ausgesetzt und definierten Temperaturänderungen unterworfen.
Die indirekte Beheizung kommt dann zum Einsatz, wenn das zu erwärmende Gut vor Verbrennungsgasen geschützt oder in einer bestimmten Prozessgasatmosphäre gehalten werden muss. Die notwendige Strahlungswärme wird oftmals über Strahlheizrohre geliefert. Diese gibt es in unterschiedlichen Ausführungen bzw. Formen. Allen gemeinsam ist eine geschlossene Brennkammer, also ein Hohlraum, in dem ein Brennstoff mit einem sauerstoffhaltigen Gas verbrannt wird.
Tritt an einem Strahlheizrohr eine undichte Stelle auf, können Verbrennungsgase wie CO 2 und H 2 O in den Ofen eindringen, was die Prozessatmosphäre im Ofen verunreinigt und die Qualität der behandelten Werkstücke beeinträchtigt. Im Einzelfall können dadurch hohe Kosten entstehen. Wenn beispielsweise das gewünschte Wärmebehandlungsergebnis nicht erreicht wird, kann eine Nacharbeit des Guts nötig werden. Oder es entstehen Mehrkosten durch suboptimale Logistik und Verschlechterung der Flexibilität im Werk. In Extremfällen müssen Öfen außer Betrieb genommen werden, um das Leck zu finden.
Je größer der Ofen, desto aufwändiger gestaltet sich diese Suche. In größeren Wärmebehandlungsöfen werden leicht bis zu 200 und mehr Strahlheizrohre eingesetzt, um den Ofen gleichmäßig zu erhitzen. Bei einer solchen Größenordnung ist die Detektion einzelner defekter – in der Regel durchgebrannter, gerissener oder abgebrochener – Strahlheizrohre in den gängigen Verfahren äußerst aufwändig. Eine Methode besteht darin, bei Verdacht auf Strahlrohrschaden einzelne Brennergruppen im laufenden Ofenbetrieb außer Funktion zu setzen, um anschließend an repräsentativen Messpositionen ein Abfallen des CO 2 -Gehalts festzustellen.
Aufgrund der trägen Reaktionsgeschwindigkeit großer Ofenvolumina sowie der meist unbekannten Strömungsverhältnisse im Ofenraum führt dieses Vorgehen jedoch nicht immer zum Erfolg. Extrem erschwert wird die Fehlersuche bei dieser Methode, wenn gleichzeitig mehrere Rohre defekt sind. Auch die kontinuierliche Chargierung/Beschickung des Ofens mit Material kann Probleme bei der Interpretation der Messergebnisse bereiten. Das Hinzunehmen einzelner Brenner erfordert einen hohen Zeitaufwand, hochwertiges Messgerät sowie qualifiziertes Personal. Auch das Abdrücken der Strahlheizrohre ist als Methode extrem personalaufwändig. Den meisten Anlagen stehen keine geeigneten Anschlüsse zur Verfügung, um an den Strahlrohren geeignete Dichtflansche bzw. Fittinge anzubringen – besonders für die Abgasseite. Diese Methode birgt darüber hinaus die Gefahr, dass Leckagen unentdeckt bleiben, da die Rohre beim Abdrücken nicht betrieben werden. Somit können Risse im Strahlheizrohr, verursacht durch thermische Ausdehnungsvorgänge, wieder geschlossen sein. Diese generell erfolgreichen Verfahrensweisen sind durch ihre Zeit- und Kostenintensivität nicht automatisierbar. Vor allem der Umstand, dass in der Regel mit der Lecksuche erst nach dem Auftreten von Problemen begonnen wird, birgt hohe finanzielle Risiken. Denn während der Lecksuche steht der Ofen für die Produktion nicht oder nur eingeschränkt zur Verfügung.
Für jeden Betreiber ist es notwendig, den optimalen Zustand der Strahlheizrohre zu gewährleisten, um eine maximale Prozesssicherheit zu realisieren. Dies ist in der Praxis bislang jedoch kaum zu bewerkstelligen. Um die Atmosphärenqualität aufrecht zu erhalten, wird stattdessen an Schutzgasofenanlagen häufig die Frischgaszufuhr erhöht. Die oftmals für die Verschlechterung der Qualität verantwortlichen defekten Strahlheizrohre werden dann aber aufgrund des Verdünnungseffektes nicht bemerkt. Ähnliches gilt für Fettungsgasmengen, die automatisch und unbemerkt durch eine Atmosphärenregelung erhöht werden. Es liegt auf der Hand, dass derartige Verfahrensweisen zu unnötig hohen Schutzgaskosten sowie der Verschlechterung der CO 2 -Bilanz der Gesamtanlage führen. Der vermehrte Einsatz keramischer Strahlheizrohre in den letzten Jahren verbesserte die Situation, schützt jedoch nicht vollständig gegen Defekte. Keramische Strahlheizrohre brechen oft vollständig ab. Die Folge ist eine entsprechend starke Atmosphärenverschlechterung im Ofen. Unter diesen Bedingungen hat die Lecksuche mit dem Edelgas Helium und der Nachweis dieses Edelgases mit Helium-Lecksuchgeräten in den letzten Jahrzehnten an Bedeutung gewonnen. Heute kann man diese Methode als die wichtigste in der Lecksuchtechnik bezeichnen. Modernste Massenspektrometer, die hier zum Einsatz kommen, sind in der Lage, Konzentrationen von wenigen ppm zu detektieren.
Im Rahmen eines Grundlagenversuchs (siehe Kasten auf S. 46) wurde die Tauglichkeit der Helium-Lecksuchtechnik für das Auffinden defekter Strahlheizrohre an zwei für das Glühen von Stahlrohren typischen Rollenherdöfen unterschiedlicher Größe, jeweils mit Kühlstrecke, getestet. Das wesentliche Ergebnis: In beiden Öfen konnte bei jeder versuchsweise vorgenommenen Heliumimpfung ein eindeutiger Ausschlag am Messgerät zugeordnet werden.
Der wesentliche Punkt des Helium-Lecksuchverfahrens besteht darin, das Helium zu einem definierten Zeitpunkt lediglich einem einzigen, ganz bestimmten Strahlheizrohr zuzuführen und anschließend auf einen signifikanten Ausschlag am Heliumdetektor zu warten. Bleibt dieser Ausschlag innerhalb eines gewissen Zeitraumes aus, kann davon ausgegangen werden, dass das geprüfte Strahlheizrohr intakt ist. Erst nach diesem Gutbefund wird das nächste Strahlheizrohr geprüft. Eine Beeinträchtigung des Glühergebnisses kann dabei ausgeschlossen werden: Helium verhält sich bei allen in Frage kommenden Prozessen völlig inert. Eine entsprechende Steuerungs- und Auswerteeinheit, die auch in die Ofenbrennersteuerung integriert sein kann, ordnet im Rahmen vollautomatischer Überprüfungen jedem gemessenen Heliumwert exakt ein defektes Strahlheizrohr zu und leitet vorprogrammierte Maßnahmen ein. Das undichte Rohr wird dann entweder außer Betrieb genommen oder das System löst einen Alarm aus. Um Schäden vorzubeugen, kann die Steuereinheit auch bestimmte Prüfzyklen vordefiniert ausführen. Der Heliumverbrauch eines solchen vollautomatisch arbeitenden Screeningsystems wird beeinflusst durch unterschiedliche Faktoren, ist jedoch generell überschaubar. Beispielsweise entspricht der jährliche Verbrauch an einem Rollenherdofen, wie er bei den Versuchen untersucht wurde, bei einem wöchentlich einmal durchgeführten kompletten Screening dem Inhalt von acht handelsüblichen Heliumgasflaschen. Defekte Strahlheizrohre verschlechtern die Ofenatmosphäre durch in den Prozess eindringende Verbrennungsprodukte wie CO 2 und H 2 O. Das Helium-Lecksuchverfahren stellt eine neue, effektive und kostensparende Lösung dar, Leckagen von Wärmebehandlungsöfen schnell und sicher zu detektieren. Das Verfahren lässt sich bei Neuanlagen ebenso einsetzen wie in vorhandenen Anlagen nachrüsten. Die laufenden Betriebskosten sind minimal im Verhältnis zu den Betriebskosten einer Wärmebehandlungsanlage. Die Investitionskosten werden in Abhängigkeit von der Kostenstruktur und -transparenz beim Anwender binnen kürzester Zeit amortisiert. Die Wirtschaftlichkeit der Gesamtanlage erhöht sich durch die wesentlich verbesserte Verfügbarkeit und durch den minimierten Schutzgasverbrauch. Weitere Synergien können durch die Kopplung mehrerer Wärmebehandlungsanlagen an ein zentrales Auswertegerät entstehen. Des Weiteren liefert das zum Patent angemeldete Verfahren durch die Möglichkeit, die Schutz- und Fettungsgasmengen zu minimieren, einen aktiven Beitrag zur CO 2 -Minimierung an Wärmebehandlungsanlagen. Das System kann, optional mit der kompletten Ofensteuerung, in die von Linde vermarkteten Systeme Carboflex und Hydroflex implementiert werden.☐
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