Massendurchflussregelung beim Presshärteverfahren

Gaszufuhr und Ofenatmosphäre im Griff

Rollenherdofen für das Presshärteverfahren hochfester Stähle, die als sicherheitsrelevante Strukturteile, z.B. im Automobilbau Verwendung finden. Bild: schwartz GmbH

Die Automobilindustrie, Windkraftanlagen oder ganz allgemein der Maschinenbau verlangen heute oft nach hochfesten Stählen, die mittels Presshärteverfahren zu sicherheitsrelevanten Strukturteilen verarbeitet werden. Beim Automobilbau sind das z.B. Komponenten der Fahrzeugkarosserie wie A- und B-Säulen, Seitenaufprallträger sowie Türrahmenverstärkungen. Dabei fordern die Hersteller zunehmend eine exakte Protokollierung und Rückverfolgbarkeit der Gasmengen und Ofenatmosphäre bei der Wärmebehandlung der Stähle. Reaktionsschnelle Massendurchflussregler, die speziell für die feinfühlige Dosierung großer Gasmengen ausgelegt sind, finden deshalb an den Öfen ein typisches Einsatzfeld. Kombiniert zu plug-and-play-fähigen Komplettlösungen lassen sie sich einfach an die übergeordnete Steuerung anbinden und vereinfachen mit ihrer Fähigkeit zur Ferndiagnose obendrein noch den Service.

Rollenherdofen für das Presshärteverfahren hochfester Stähle, die als sicherheitsrelevante Strukturteile, z.B. im Automobilbau Verwendung finden. Bild: schwartz GmbH

Rollenherdofen für das Presshärteverfahren hochfester Stähle, die als sicherheitsrelevante Strukturteile, z.B. im Automobilbau Verwendung finden.
Bild: schwartz GmbH

Beim Presshärteverfahren war es bisher meist Stand der Technik, die Gasmengen je nach erforderlichen Mengen mittels Glaskonus-Durchflussmesser von Hand einzustellen. Dabei wird 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 allerdings nicht mehr praxisgerecht. Die schwartz GmbH, Weltmarktführer im Bereich Wärmebehandlungsanlagen für das Presshärten von Stahl, Aluminium und anderen NE-Metallen, suchte deshalb nach einem neuen, zukunftssicheren Lösungsansatz. Das angestrebte System zur Regelung der Gaszufuhr sollte automatisch arbeiten, über einer geeigneten BUS-Schnittstelle mit der übergeordneten Steuerung kommunizieren, kompakt in einem Schaltschrank verbaut sein, über die notwendigen Zulassungen, wie z.B. UL oder CSA, verfügen und Fernwartungs- bzw. -diagnosemöglichkeiten bieten.

Kompakte Schaltschranklösung

Prinzipieller Aufbau: In jedem der drei Schaltschränke sind zur Regelung der Gaszufuhr drei Massendurchflussregler integriert. Bild: schwartz GmbH

Prinzipieller Aufbau: In jedem der drei Schaltschränke sind zur Regelung der Gaszufuhr drei Massendurchflussregler integriert.
Bild: schwartz GmbH

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 ca. 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. Bild: Bürkert

Das Funktionsprinzip der Massendurchflussregler gewährleistet eine sehr feinfühlige und präzise Regelung.
Bild: Bürkert

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 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.

Die Steuereinheit kommuniziert über Profinet mit der übergeordneten Ofen-SPS, die die Prozesswerte verwaltet und den Prozessablauf dokumentiert. Bild: Bürkert

Die Steuereinheit kommuniziert über Profinet mit der übergeordneten Ofen-SPS, die die Prozesswerte verwaltet und den Prozessablauf dokumentiert.
Bild: Bürkert

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.

Über schwartz
Seit über 30 Jahren gehört die schwartz GmbH mit Stammsitz in Simmerath zu den führenden Herstellern von Wärmebehandlungsanlagen für das Presshärten, Härten, Glühen, Schmieden und Löten von Stahl, Aluminium und anderen NE-Metallen. Im Bereich Wärmebehandlungsanlagen für das Presshärten ist das Unternehmen Weltmarktführer. Die Hightech-Wärmebehandlungsanlagen haben sich in der Automobilindustrie, in der Automobilzulieferindustrie, in der Stahl- und NE-Metallindustrie vielfach bewährt und werden rund um den Erdball eingesetzt. Im Bereich Automotive beliefert schwartz die Automobilhersteller selbst und deren direkte Zulieferer. Heute ist das Unternehmen zu einer weltweit tätigen Unternehmensgruppe mit acht Standorten in Deutschland, China und den USA gewachsen. Weitere Informationen finden Sie unter: www.schwartz-wba.com

Über Bürkert
Bürkert Fluid Control Systems ist ein weltweit führender Hersteller von Mess-, Steuer- und Regelungssystemen für Flüssigkeiten und Gase. Lösungen von Bürkert kommen in den unterschiedlichsten Branchen und Anwendungen zum Einsatz – das Spektrum reicht von Brauereien und Laboren bis zur Medizin-, Bio- und Raumfahrttechnik. Mit einem Portfolio von über 30.000 Produktlösungen deckt Bürkert als einziger Anbieter alle Komponenten des Fluid Control-Regelkreises aus Messen, Steuern und Regeln ab: von Magnetventilen über Prozess- und Analyseventile bis zu pneumatischen Aktoren und Sensoren.

Das Unternehmen mit Stammsitz im süddeutschen Ingelfingen verfügt über ein weit gespanntes Vertriebsnetz in 36 Ländern und beschäftigt weltweit mehr als 3.000 Mitarbeiter. In fünf Systemhäusern in Deutschland, China und den USA sowie vier Forschungs- und Entwicklungszentren entwickelt Bürkert kontinuierlich kundenspezifische Systemlösungen und innovative Produkte. Ergänzt wird die Produktpalette mit dem umfassenden Serviceangebot BürkertPlus, das Kunden während des kompletten Produktlebenszyklus begleitet. Weitere Informationen finden Sie unter:

www.buerkert.de

www.facebook.com/Buerkert.Fluidtechnik

www.twitter.com/buerkertfluid

Weitere Informationen zum Thema finden Sie unter: https://www.buerkert.de/de/produkte/massendurchflussregler

Titelbild: schwartz GmbH

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Dipl.- Ing. (FH) Markus Bendisch MBA

Area Sales Manager bei Bürkert Fluid Control Systems

Ellen-Christine Reiff

Ellen-Christine Reiff

Studium der deutschen Philologie, danach tätig bei Theater und Fernsehen, seit 1986 freie Journalistin beim Redaktionsbüro Stutensee mit Schwerpunkt Optoelektronik, elektrische Antriebstechnik, Elektronik und Messtechnik.

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