Die Warmumformung von Stählen kommt hauptsächlich in der Automobilbranche zum Einsatz.

Wärmebehandlung von Stählen Massendurchfluss beim Presshärteverfahren regeln

01.10.2018

Die Automobilindustrie, Windkraftanlagen oder der Maschinenbau verlangen heute oft nach hochfesten Stählen, die mittels Presshärteverfahren zu sicherheitsrelevanten Strukturteilen verarbeitet werden. Dabei fordern die Hersteller zunehmend eine exakte Protokollierung und Rückverfolgbarkeit der Gasmengen und Ofenatmosphäre bei der Wärmebehandlung der Stähle.

Die Nachfrage nach hochfesten Stählen steigt, etwa im Automobilbau. Hier werden beispielsweise Komponenten der Fahrzeugkarosserie wie A- und B-Säulen, Seitenaufprallträger sowie Türrahmenverstärkungen mithilfe des Presshärteverfahrens zu sicherheitsrelevanten Strukturteilen verarbeitet.

Durch die Vorgaben der Hersteller finden reaktionsschnelle Massendurchflussregler, die speziell für die feinfühlige Dosierung großer Gasmengen ausgelegt sind, deshalb an den Öfen ein typisches Einsatzfeld. Sie ermöglichen die exakte Protokollierung und Rückverfolgbarkeit der Gasmengen und Ofenatmosphäre bei der Wärmebehandlung der Stähle. Die Massendurchflussregler lassen sich zu plug-and-play-fähigen Komplettlösungen kombinieren und an die übergeordnete Steuerung anbinden. Das vereinfacht wegen ihrer Fähigkeit zur Ferndiagnose obendrein noch den Service.

Manuelle Anpassung nicht mehr zeitgemäß

Beim Presshärteverfahren war es bisher meist Stand der Technik, die Gasmengen mittels Glaskonus-Durchflussmesser von Hand einzustellen. Dabei wurde der Volumenstrom nach dem Schwebekörperprinzip von einer ins Messrohr gravierten Skala abgelesen und bei Bedarf manuell nachgeregelt.

Da das Schwebekörperprinzip temperatur- und druckabhängig ist, muss dieses in regelmäßigen Abständen manuell angepasst werden, um die geforderten Prozesswerte für die Ofenatmosphäre sicherzustellen. Im Hinblick auf die steigenden Anforderungen an die Qualität der wärmebehandelten Stähle und die Notwendigkeit, Gasmengen und Ofenatmosphäre zu protokollieren, ist diese Methode heutzutage allerdings nicht mehr praxisgerecht.

Bei Schwartz, einem Hersteller von Wärmebehandlungsanlagen für das Presshärten von Stahl, Aluminium und anderen NE-Metallen, suchte man deshalb nach einem neuen, zukunftssicheren Lösungsansatz. Das angestrebte System zur Regelung der Gaszufuhr sollte automatisch arbeiten, über eine geeignete BUS-Schnittstelle mit der übergeordneten Steuerung kommunizieren, kompakt in einem Schaltschrank verbaut sein, über die notwendigen Zulassungen wie UL oder CSA verfügen sowie Fernwartungs- beziehungsweise Diagnosemöglichkeiten bieten.

Kompakte Schaltschranklösung

Der Fluidikspezialist Bürkert stellte sich dieser Herausforderung und entwickelte gemeinsam mit der Firma Schwartz ein automatisiertes System zur Regelung der Gaszufuhr der Rollenherdöfen. Es ist modular aufgebaut und besteht im Prinzip aus einem Schaltschrank pro Ofenzone. In jedem wurden zwei bis drei Massendurchflussregler vom Typ 8746 verbaut – einer für Stickstoff (N2), einer für Methan (CH4) und optional ein weiterer für trockene Luft.

Grundwerkstoff der pressgehärteten Stahlbleche ist ein borlegierter Vergütungsstahl. In den Austenitisierungsöfen werden sowohl beschichtete als auch unbeschichtete Stahlbleche oberhalb der Austenitisierungstemperatur auf rund 950 °C erwärmt und für eine definierte Zeit gehalten. Die nicht beschichteten Stähle werden in einer Ofenatmosphäre mit einem Schutzgasgemisch, bestehend aus Stickstoff und Erdgas, behandelt, um die Zunderbildung und Entkohlung der Oberfläche zu vermeiden.

Die Auslegung der maximalen Durchflüsse der Regler für Stickstoff, Methan und Luft orientiert sich an der Dimensionierung des Ofens. Die Auslegung bezüglich der Eingangsdrücke richtet sich nach den Gegebenheiten der Gasversorgung in der Anlage. Aus dem übergeordneten Prozessmodel berechnet die Ofensteuerung die benötigte Gasmenge und gibt diese als Sollwert an die beiden entsprechenden Massendurchflussregler. Die erforderlichen Stickstoff- und Methanmengen werden von den Massendurchflussreglern dosiert und in ihrem Mischungsverhältnis an der jeweiligen Einspeisestelle zugeführt.

Präzise Regelung der Gaszufuhr

Das Funktionsprinzip der Massendurchflussregler gewährleistet eine sehr feinfühlige und präzise Regelung: Der thermische Inline-Sensor des Durchflussreglers sitzt direkt im Gasstrom und erreicht sehr schnelle Reaktionszeiten. Er arbeitet als Heißfilm-Anemometer im sogenannten CTA-Betriebsmodus (Constant Temperature Anemometer). Dabei sind zwei Widerstände mit präzise spezifiziertem Temperaturkoeffizienten direkt im Gasstrom und mit drei weiteren Widerständen zu einer Messbrücke verschaltet.

Der erste Widerstand im Medienstrom (RT) misst die Fluidtemperatur. Der zweite, niederohmigere Widerstand (RS) wird stets gerade soweit aufgeheizt, dass er auf einer festen, vorgegebenen Übertemperatur zur Fluidtemperatur gehalten wird. Der dazu jeweils erforderliche Heizstrom ist ein Maß für die Wärmeabfuhr durch das strömende Gas und stellt die primäre Messgröße dar, die unabhängig von Druck und Temperatur des Gases ist.

Eine adäquate Strömungskonditionierung innerhalb des Massendurchflussreglers sowie die Kalibrierung mit hochwertigen Durchflussnormalen stellen sicher, dass aus dem Primärsignal die pro Zeiteinheit durchströmende Gasmenge mit hoher Genauigkeit abgeleitet werden kann. Der integrierte PI-Regler und ein direkt wirkendes Proportionalventil von Bürkert als Stellglied gewährleisten eine hohe Ansprechempfindlichkeit.

Plug-and-play-Lösung aus einer Hand

Außer der hohen Genauigkeit der druck- und temperaturunabhängigen Regelung bietet die neue Lösung für die Regelung der Gaszufuhr der Rollenherdöfen in der Praxis noch etliche weitere Vorteile. So erleichtert das standardisierte Komplettsystem dem Ofenhersteller den Bestellvorgang und die Terminplanung. Außerdem lässt sich die vorkonfigurierte Regelungslösung einfach anschließen. Für die Spannungseinspeisung genügt pro Schrank eine M12-Verbindung und auch die Einbindung in die übergeordnete Steuerung ist einfach.

Dazu ist einer der Schränke mit einer zentralen Steuereinheit ausgestattet, die die Kommunikation mit allen in den Schränken integrierten Massendurchflussreglern übernimmt. Bürkert hat hierfür mit der Geräteplattform EDIP (Efficient Device Integration Platform) eine praxisgerechte Lösung geschaffen. Bei Bedarf kann der Anwender die Logik ohne zusätzliche Eingriffe in die Ofensteuerung programmieren und sie an sich ändernde Prozesse und Betriebsbedingungen anpassen.

Die Schaltschränke werden als autarkes Sub-System an den übergeordneten Feldbus an genau einer Stelle angeschlossen. In der beschriebenen Anwendung kommuniziert die Steuereinheit über Profinet mit der SPS des Ofens, welche die Prozesswerte verwaltet und protokolliert. Andere Feldbusse und Ethernet-Anbindungen werden ebenso unterstützt. Von der feinfühligen automatisieren Regelung der Gaszufuhr mit komfortablen Protokolliermöglichkeiten können deshalb auch viele andere Anwendungen profitieren.

Innerhalb der „Black Box“ sind Konstruktionsoptimierungen und Weiterentwicklungen jederzeit möglich, ohne in die eigentliche Ofenauslegung eingreifen zu müssen. Außerdem bieten die Schaltschränke den verbauten Komponenten Schutz vor Umgebungseinflüssen, mechanischer Beschädigung oder unbefugten Eingriffen. Nicht zuletzt deshalb hat sich das autarke Subsystem für die Regelung der Gaszufuhr an den Rollenherdöfen aus Simmerath mittlerweile bestens bewährt. Für die Zukunft ist der Ofenhersteller damit gut gerüstet.

Bildergalerie

  • Rollenherdofen sind für das Presshärteverfahren hochfester Stähle geeignet, die als sicherheitsrelevante Strukturteile Verwendung finden.

    Bild: schwartz

  • Prinzipieller Aufbau: In jedem der drei Schaltschränke sind zur Regelung der Gaszufuhr drei Massendurchflussregler integriert.

    Bild: schwartz

  • Das Funktionsprinzip der Massendurchflussregler gewährleistet eine sehr feinfühlige und präzise Regelung

    Bild: Bürkert Fluid Control Systems

  • Einer der Schränke ist mit einer zentralen Steuereinheit ausgestattet, die die Kommunikation mit allen in den Schränken integrierten Massendurchflussreglern übernimmt. Die Steuereinheit kommuniziert über Profinet mit der übergeordneten Ofen-SPS, die die Prozesswerte verwaltet und den Prozessablauf dokumentiert.

    Bild: Bürkert Fluid Control Systems

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