Präzision hoch drei

Die neue Ipsen-Anlage für die Wärmebehandlung von Getriebeteilen Tellerädern und Antriebskegelrädern zog im Herbst 2013 im Mercedes-Getriebewerk in Mettingen im Neckartal ein. Der Einzug war von erschwerten Bedingungen begleitet, denn es stand recht wenig Raum rund um den geplanten dreibahnigen Durchstoß Ofen zur Verfügung. Mittels hochintegrierter Zuführungsmechanik gelang es jedoch, alle für den Wärmebehandlungsprozess notwendigen Anlagen und Komponenten sehr kompakt anzuordnen. Hoch- und Niedertemperaturöfen, Reinigungssysteme und Abschreckvorrichtungen sind dabei zu komplexen Einheiten verkettet und erlauben dennoch eine gute Flexibilität für verschiedene Wärmebehandlungsarten der Werkstücke. Über halbautomatisch angetriebene Rollenbahnen zum Be- und Entladen erfolgt die Zufuhr der Werkstückchargen zunächst manuell, bevor sie in den automatischen Transfer der Chargen Speicherförderung übergehen. Bereits im Voroxidationsofen steigt die Chargentemperatur auf etwa 450°C. Eine Zwischen-Transporteinheit bringt die Chargen anschließend in die Eingangsschleuse des Hochtemperaturofens. Nach weiterem Vorschub in den Wärmebehandlungsraum des Ofens erfolgt in der dreibahnigen Aufheizzone zunächst die Erwärmung auf Kohlungstemperatur über 900 Grad Celsius. Die nachfolgende dreibahnige Kohlungszone besorgt den eigentlichen Vorgang der Aufkohlung im Schutzgas, bei dem der Kohlenstoffgehalt für die Randschicht der Werkstücke nach Bedarf präzise ausgesteuert werden kann. Die Vorteile liegen auf der Hand: Durch Dreibahn-Betrieb kann eine Vielzahl an Chargen auf engstem Raum den Wärmebehandlungsprozess durchlaufen, was für den Kunden eine hohe Effektivität bei der Ausnutzung seiner Produktionsfläche bedeutet. Am Ende der Kohlungszone erfolgt der Transfer wiederum in eine einbahnige Härtezone. An deren Ende erfolgt entweder das Abschrecken, das über ein Ölbad mit zwei gasdicht voneinander getrennten Kammern erfolgen kann. Oder die Charge durchläuft, mit Hilfe einer nachgeschalteten, vollautomatischen Presshärteanlage, den definierten Abschreckvorgang unter mechanischer Vorspannung in der Presse. Das sorgt für das verzugsfreie Finish von großen Werkstücken wie Tellerrädern mit einem Durchmesser über 30 Zentimetern und gewährleistet insgesamt eine gute Maßgenauigkeit. Abschließend lassen sich alle Werkstücke wiederum vollautomatisch für die weiteren Verfahrensschritte weiterführen. In der folgenden Drei-Zonen Nachwaschmaschine erfahren alle Werkstücke eine effiziente Reinigung und werden anschliessend getrocknet. Im Interesse einer gezielten Nachbearbeitung besteht die Möglichkeit, einzelne Werkstücke – wahlweise auch bestimmte Sortimente der Charge - zum Richten aus- und wieder einzuschleusen, oder sie direkt noch einmal zum zweibahnigen Anlassofen zu transportieren. Über die Nachkühlstrecke mit anschließender Nachspeicherstrecke gelangen die Chargen wieder zur Be- und Entladebahn am Anfang der Anlage. >> Insgesamt besteht die komplette Ipsen – Anlage aus folgenden Einheiten << -> Voroxidations-Ofen mit 450°C Arbeitstemperatur -> Hochtemperatur-Wärmebehandlungsofen bis 950°C mit folgender Ausstattung: – Eingangsschleuse – dreibahniger Aufheizzone – dreibahniger Kohlungszone – einbahniger Härtezone – gasdichten Zwischentüren – Entnahmestation für einzelne Presshärteteile -> Ölbad mit zwei separaten Tauchbädern -> Vollautomatische Heess-Presshärteanlage -> 3-Zonen Nachwaschmaschine -> Anlassofen -> Diverse Transporteinheiten >> Im Ofen für die Wärmebehandlung herrscht permanenter Überdruck Der hier vorgestellte Durchstoß-Ofen, der in allen wesentlichen Arbeitsbereichen über drei Bahnen verfügt, ist der erste kontinuierliche Wärmebehandlungsofen aus dem Hause IPSEN, der mit dem neuen, patentierten „Lock-up“ – System ausgeführt ist. Dieses System zeichnet sich dadurch aus, dass sowohl die Eingangsschleuse als auch das Ölbad durch gasdichte Türen von dem Wärmebehandlungsraum des Durchstoß-Ofens getrennt sind. Mittels spezieller Gasführungssysteme am Ofen entsteht durch dieses Prinzip erstmals die Möglichkeit, alle Chargen völlig ohne störende Beeinflussung der Ofenatmosphäre zu- und abführen zu können. Die Ofen-Atmosphäre schwankt dadurch weniger hinsichtlich der Temperatur und des Gehaltes an Kohlenstoff. Die Folge. Präzise, geradlinige Charakteristika, einfach zu überwachen und definiert einzustellen. „Die Charge stimmt“, so sagen die Fachleute. Ein weiterer Vorteil: die Randoxidation an den Werkstücken bleibt minimal – schließlich handelt es sich hier vorwiegend um hochwertige Präzisions-Getriebeteile wie Tellerräder und Antriebskegelräder für Getriebe und Achsen, die auf eine Betriebsdauer von mehreren Jahrzehnten ausgelegt sind. Ein weiterer Vorteil des Systems mit gasdichter Separation der Arbeitsräume im Ofen besteht im reduzierten Schutzgasverbrauch. Dieser Vorteil stellt sich dadurch ein, dass während Zu- oder Abfuhr der Charge der Druck in der Wärmebehandlungskammer nicht abfällt. Lediglich in den Schleusen muss Druck angepasst werden, bevor der weitere Transport der Chargen erfolgt. >> Hohe Effizienz durch das „Ecofire-Preheat“ << Einen ganz entscheidenden Schritt zur Steigerung der Energie-Effizienz leistet ein von Ipsen erfolgreich patentiertes Verfahren, das auf den Fachbegriff „Ecofire-Preheat“ getauft wurde. Dieser besonders innovative Verfahrensschritt sieht es vor, die Ofenkammer-Füllung mit Endogas nicht einfach im Verluststrom abzufackeln. Das war bisher bei allen vergleichbaren Ofenanlagen üblich, wobei die Temperaturen rund um den Ofen und die Rechnung für die Prozessgase gleichzeitig unangenehm ansteigen. Mittels „Ecofire-Preheat“ wird nunmehr das überschüssige Endogas über streng kontrollierte Verfahrensschritte im Vorwärmofen als Brenngas verwendet. Damit findet so eine Art Prozessgas- Recycling auf einer neuen Wertstufe statt. Der große Fortschritt liegt auf der Kostenseite: Eine Ipsen-Anlage mit Ecofire- Preheat hilft im Dreischichtbetrieb übers Jahr leicht über 20.000 Euro an Prozessgaskosten einsparen. Die Amortisation für den Mehraufwand liegt je nach Anlagengröße im Bereich weniger Betriebsjahre. >> Damit es den Werkstücken nicht kalt wird << Eine weitere unterstützende Maßnahme zur besonders guten ökonomischen Betriebsweise der Ofenanlage findet sich in der neuen Isolations-Technologie von Ipsen: Über eine Wandstärke von 40 bis 50 Zentimetern in den entscheidenden Bereichen der Ofenanlage kommt mikroporöser Dämmstoff als Hinterisolierung zur Anwendung, der in der Isolationswirkung alle bisher bekannten Materialien übertrifft. Das Prinzip dieses Dämmstoffs besteht im Wesentlichen darin, dass bei einer enorm hohen Temperatur-Resistenz von bis zu 1100°C stets nur wenige Luftmoleküle innerhalb der winzigen Kammern isoliert bleiben. Im Vergleich zur konventionellen Bauweise ergibt sich dabei eine Reduktion der Abwärme von bis zu 30 Prozent, die sich in vergleichbarer Proportion wohltuend in den Prozesskosten niederschlägt. Als Vorderisolierung kommt natürlich auch weiterhin sowohl im Wand-, Boden- und Deckenbereich die bei Ipsen bewährte und standfeste Mauerung aus Feuerleichtsteinen zum Einsatz. Die Herdbodenelemente bestehen aus hochfesten SIC-Werkstoffen und verfügen über eine sehr gute Standfestigkeit. >> Im Strömungsbild der Schutzgas-Atmosphäre sind alle gleich << Die Ausstattung der gesamten Anlage mit ausgeklügelter Umwälztechnik gewährleistet sowohl eine homogene Verteilung des Schutzgases in den Wärmebehandlungs- Kammern als auch ein großzügiges Umströmen der reaktionsfähigen Gase am Werkstück. Die optimierte Aerodynamik sowie der Einsatz modernster Brennertechnik sorgen für eine optimale Gleichmäßigkeit und für eine herausragend gute Reproduzierbarkeit der Wärmebehandlungsergebnisse. >> Weniger ist Mehr << Zum Effekt der energiesparenden Bilanz der neuen Ofentechnologie von Ipsen gehört noch die folgende ergänzende Anmerkung: Der enorme Energieverbrauch von Wärmeprozessanlagen ist nicht nur unter Umwelt- und Bilanzgesichtspunkten eine brisantes Thema. Im Umfeld der EU-Kommission durchläuft momentan eine neue „Energy Using Products“-Richtlinie (EuP-Richtlinie) das übliche Genehmigungsverfahren. Die daraus entstehende Richtlinie wird – neben der bereits bestehenden Öko- Design-Richtlinie 2005/32 EG – in absehbarer Zeit einzuhalten sein und strenge Anforderungen auch für den Energieverbrauch von Wärmeprozessanlagen mit sich bringen. Es ist in der Öffentlichkeit bisher wenig bekannt, dass beinahe 40 Prozent der industriell genutzten Energie in Deutschland in Industrieöfen verbraucht wird. Dieser Energiehunger ist zumindest auffällig – auch für die Bilanz der betroffenen Unternehmen. Der Umsatz, den diese Energie-Portion bewirkt, macht Jahr für Jahr für alle Industrieunternehmen zusammengerechnet 30 Milliarden Euro aus. Angesichts einer rasant anwachsenden globalen Energienachfrage kann man mit Sicherheit davon ausgehen, dass Preissteigerungen weiterhin absehbar sind. Ipsen wird sich weiterhin den besonders ökonomischen Zielen für den Umgang mit Energie widmen. Sie können von Ipsen weiterhin besonders anspruchsvolle Lösungen erwarten, was den Umgang mit Energie als wertvoller Ressource einerseits, mit den Betriebskosten der Anlage andererseits angeht.