IGF-Projekt 14153 N

Verbesserung von Produktqualität und Wirtschaftlichkeit von Industrieöfen mit Schutzgasatmosphären durch die Optimierung des Atmosphärenwechsels

Die Bedeutung von Glühprozessen unter Schutzgas bzw. Reaktionsgas nimmt seit Jahren zu. Vor allem die Anforderungen an die Qualität von Prozessgasatmosphären, insbesondere bei leicht brennbaren bzw. entzündlichen Prozessgasen, sind aufgrund der geforderten Personen- und Anlagensicherheit im Allgemeinen sehr hoch.

Das Spülen des freien Ofenvolumens mit nicht brennbaren Gasen zur Durchführung eines sicheren Atmosphärenwechsels kann unter allen Prozessbedingungen durchgeführt werden. Das freie Ofenvolumen wird dabei solange mit Spül- oder Prozessgas gespült, bis die Konzentration der prozessrelevanten Gaskomponenten bezüglich Sicherheit und Qualität die Zielwerte erreichen.

Das Forschungsziel ist eine vertiefte Kenntnis des Atmosphärenwechsels bei diskontinuierlich betriebenen Schutzgasöfen. Hierbei sollen verschiedene Gaswechselstrategien hinsichtlich ihrer Effizienz analysiert werden. Dadurch wird es möglich, Einflussparameter zu identifizieren und in neue Konzepte zum Atmosphärenwechsel einfließen zu lassen.

Zielgröße ist eine Verringerung der erforderlichen spezifischen Gasmenge und der Spülzeit (Erhöhung der Produktivität). Die untersuchten Einflussgrößen sind:

  • Anordnung und Ausbildung der Gasein- und -auslässe,
  • Spülgasvolumenstrom,
  • Prozessgasvolumenstrom (durch Ventilator umgewälzter Volumenstrom).

Dazu sind physikalische und numerische Simulationen an Kaltmodellen sowie Untersuchungen an einem industriellen Schutzgas-Kammerofen durchgeführt worden.

Die Ergebnisse der Laborversuche ohne Ventilator (Zwangumwälzung) zeigen, dass

  • Ein- und Auslassdurchmesser bei gleicher räumlicher Anordnung einen sehr geringen Einfluss auf den Atmosphärenwechsel haben.
  • eine räumliche Variation der Ein- und Auslässe zwar erhebliche Einflüsse auf die sich ausbildenden Strömungsstrukturen aber aufgrund der hohen turbulenten Vermischung nur einen geringen Einfluss auf den gesamten Gaswechsel haben, sodass sich der Verlauf des Atmosphärenwechsels in allen Varianten bis zum Zeitpunkt θ = 5 nahezu angeglichen hat.

Laborversuche mit Ventilator haben ergeben, dass

  • bei laufendem Gasumwälzer die freie Konvektion, verursacht durch Temperatur- oder Konzentrationsgradienten, eine für den Atmosphärenwechsel zu vernachlässigende Rolle spielt.
  • die Anordnung der Spülgaseinlässe nur zu Beginn des Gaswechsels eine Rolle spielt; im weiteren Verlauf gleichen sich alle untersuchten Varianten einander an.
  • der umgewälzte Volumenstrom (Gasumwälzer) und der Spülgasvolumenstrom ebenfalls nur zu Beginn des Atmosphärenwechsels einen Einfluss haben.

Die Betriebsversuche am Schutzgas-Kammerofen zeigen, dass

  • der Atmosphärenwechsel unter Betriebsbedingungen (heiß-Versuch) die O2-Sicherheitsgrenze von 1 % innerhalb der 5-fachen Sicherheits-Spülmenge θ = 5 erreicht; im kalt-Versuch wird dies nicht sicher erreicht.
  • eine höhere Ofentemperatur den Atmosphärenwechsel erheblich beschleunigt.

Aus Sicherheitsgründen muss angemerkt werden, dass

  • gerade bei Öfen die längere Stillgestandszeiten hatten beachtet werden muss, dass die Ofenkonstruktion und Isolierung den ersten Atmosphärenwechsel aufgrund einer schlechten Durchströmung verzögern kann (Totraumgebiete).
  • die Überwachung der 5-fachen Sicherheits-Spülgasmenge (DIN-EN 746-3) nicht ausreicht als Sicherheitskriterium für den Atmosphärenwechsel. Die zusätzliche Überwachung von sicherheitsrelevanten Gaskomponenten ist an kritischen Stellen notwendig.

Schlussbericht

Bölling, R.; Valente-Simoes, J.-P.; Pfeifer, H.: Verbesserung von Produktqualität und Wirtschaftlichkeit von Industrieöfen mit Schutzgasatmosphäre durch die Optimierung des Atmosphärenwechsels, FOGI-Nr. FV 679, Forschungsgemeinschaft Industrieofenbau e.V., Frankfurt


BMWi_Web_de_WBZDieses Forschungsvorhaben wurde durch die Forschungsgemeinschaft Industrieofenbau e.V. über das Forschungskuratorium Maschinenbau e.V. beantragt und durch das Bundesministerium für Wirtschaft über die Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen e.V., AiF-Nr. 14153 N, finanziell gefördert.