Leichtbau Metallische Heizeinsätze für Vakuumöfen verlieren an Gewicht

Autor / Redakteur: Matthias Ebinger / Josef-Martin Kraus

Seit sich vollmetallische Heizeinsätze energiesparend betreiben lassen, etablieren sie sich in Vakuumöfen für die Wärmebehandlung. Eine Leichtbaukonstruktion aus Molybdänlegierungen wird diese Entwicklung verstärken und die Substitution von Graphitelementen forcieren. Festigkeit und Formstabilität verschlechtern sich nicht.

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Bild 1: Zum Aufheizen und zur thermischen Abschirmung ist die Vakuumkammer mit metallischen Einsätzen aus Molybdänlegierungen ausgekleidet. Erstmals wurde damit eine Leichtbaukonstruktion realisiert.
Bild 1: Zum Aufheizen und zur thermischen Abschirmung ist die Vakuumkammer mit metallischen Einsätzen aus Molybdänlegierungen ausgekleidet. Erstmals wurde damit eine Leichtbaukonstruktion realisiert.
(Bild: Plansee)

Kurze Zykluszeiten, exzellente Vakuumbedingungen und eine homogene Temperaturverteilung gehören zu den positiven Ergebnissen bei Verwendung metallischer Heizeinsätze in Vakuumöfen. Einzig der Energieverbrauch ließ bislang zu wünschen übrig. Das hat sich mit der Entwicklung der Baureihe Enerzone geändert (Bild 1). Diese Leichtgewichte der Plansee-Gruppe, Reutte (Österreich), senken den Energiebedarf um bis zu 25 %.

Heizeinsätze sind das multifunktionale Herzstück jedes Vakuumofens: Heizelemente sorgen für die notwendige Temperatur, Chargenträger positionieren das Gut im Ofen und die Abschirmung sorgt dafür, dass möglichst wenig Hitze aus dem Heizraum austritt. In 80 % aller Vakuumöfen besteht die Isolierung aus Graphitplatten oder Graphitfilz. Dieses Konzept spart zwar Energie ein, doch das eingesetzte Material nimmt Wärme schlecht auf und kühlt nur langsam wieder ab. Zudem ist Kohlenstoff im Ofen bei sensiblen Prozessen und Werkstoffen problematisch.

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Energieverbrauch um 25 % niedriger als bei üblichen Konstruktionen

Bei einem metallischen Heizeinsatz wird die Abschirmung aus mehreren Blechlagen Molybdän und Edelstahl oder – bei Ofentemperaturen über 1800 °C – auch Wolfram aufgebaut. Trotz höherer Anschaffungskosten werden vollmetallische Heizeinsätze bei Ofenbauern und Ofenbetreibern immer beliebter. Der Hauptgrund dafür liegt im vorteilhaften Eigenschaftsprofil vollmetallischer Heizeinsätze: optimale Prozessreinheit (graphitfreie Werkstoffe), kurze Abpumpzeiten und exzellente Vakuumbedingungen (keine porösen Werkstoffe), kurze Aufheiz- und Abkühlphasen (Leichtbau mit geringer Wärmekapazität). Ein weiterer positiver Effekt ist die homogene Temperaturverteilung.

Allerdings wurde metallischen Heizeinsätzen lange Jahre ein besonders hoher Energieverbrauch nachgesagt. In den vergangenen Jahren haben findige Ingenieure zahlreiche energiesparende Maßnahmen ergriffen, um diesem Image entgegenzutreten. Plansee als Experte für Molybdän und Wolfram hat jüngst eine neue, besonders energieeffiziente Variante ganzmetallischer Heizeinsätze entwickelt, die Baureihe Enerzone. Sie kommt im Vergleich zu herkömmlichen Konstruktionen mit etwa einem Viertel weniger Energie aus.

U-förmige leichte Trägerschienen aus Molybdänlegierungen

In herkömmlichen metallischen Heizeinsätzen für Vakuumöfen werden meist Chargenträger aus Molybdän verwendet. Sie bestehen üblicherweise aus mehreren schweren Schienen, die über massive Kappen und Bolzen im Kesselboden gestützt werden. Bei der Baureihe Enerzone setzt Plansee dagegen auf besonders leichte Schienen aus hochfesten Molybdänlegierungen, die U-förmig gebogen werden (Bild 2). Sie liegen direkt auf den Bolzen auf und müssen nur quergestiftet werden. Kappen sind nicht mehr notwendig. Ein erfreulicher Nebeneffekt: Die leichten Chargenträger verformen sich weniger und lassen sich wesentlich leichter austauschen als ihre schweren Kollegen.

Als Molybdänlegierungen werden die Werkstoffe ML und TZM verwendet. Im Vergleich zu reinem Molybdän ermöglichen die Legierungen, noch mehr Gewicht einzusparen. Aufgrund der hohen Rekristallisationstemperatur und Kriechbeständigkeit sind die daraus hergestellten Abschirmbleche und Chargenträger jedoch nicht nur leichter, sondern auch sehr tragfähig und formstabil. Zusätzlich führt die Substitution von Edelstahlelementen durch Molybdän zu einer weiteren Gewichtseinsparung. Denn: Eine Abschirmlage Molybdän hat dieselbe Abschirmwirkung wie fünf Lagen Stahl.

Dünnere Abschirmbleche mit umlaufenden Abstandshaltern machen Heizeinsätze leichter

In herkömmlichen Abschirmungen sind die Abstandshalter zwischen den Blechlagen in Längsrichtung angeordnet. Um Materialverformungen zu vermeiden, benötigt diese Konstruktion besonders dicke Abschirmbleche. Sie sorgen für die ausreichende Formstabilität und gewährleisten die zylindrische Form. Plansee geht hier einen neuen Weg und hat dünnere Abschirmbleche mit umlaufenden Abstandshaltern kombiniert. Das Ergebnis ist eine sehr stabile Einheit, etwa vergleichbar mit dem Effekt umlaufender Verstärkungssicken bei dünnwandigen Blechfässern.

Damit an den kritischen Spalten zwischen Seite und Decke sowie zwischen Seite und Boden keine Energie entweicht, sind die Heizeinsätze der Baureihe Enerzone mit speziellen Eckenabschirmungen ausgestattet. Zusätzliche Abdeckungen sorgen dafür, dass die Energie auch an den Stromdurchführungen nicht verloren geht. Darüber hinaus lassen sich die leichten, vollmetallischen Heizeinsätze auch in ein von Plansee entwickeltes Hybridkonzept integrieren:

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Herkömmliche Abschirmbleche werden um ein isolierendes Aluminiumoxidpapier ergänzt. Das Al2O3-Papier beeinflusst das Betriebsverhalten nicht. Heiz- und Abkühlgeschwindigkeit, Zyklusdauer und Reinheitsvorgaben bleiben erhalten. Der Energieverbrauch hingegen sinkt um 10 bis 15 %.

Messdaten bestätigen Vorteile der Leichtgewichtskonstruktion

Die leichten, vollmetallischen Heizeinsätze verbrauchen nicht nur weniger Energie als herkömmliche Lösungen, sondern bringen auch eine höhere Leistung. Sie heizen schneller auf, kühlen schneller ab und ermöglichen so kürzere Zykluszeiten als deren schwergewichtige Kollegen. Dieser Unterschied zeigt sich quantitativ anhand zweier 600 mm × 600 mm × 900 mm großer, vollmetallischer Heizeinsätze: eines Schwer- und eines Leichtgewichts. Die energieeffiziente Leichtgewichtskonstruktion punktet im Vergleich zur Standardvariante mit folgenden Daten:

  • Sie hat ein um 15 bis 20 % niedrigeres Gewicht.
  • Bei Leerzustand des Ofens ist die Aufheizzeit um 20 % kürzer.
  • Der Heizverlust ist um 15 kW reduziert.
  • Für das Aufheizen und Abkühlen des Ofens sind 25 bis 30 kWh weniger Energie erforderlich.
  • Die Abkühlphase ist zeitlich um 15 % verkürzt.

Zugegeben: Der Alleskönner ist nicht der günstigste Heizeinsatz am Markt. Aber Langlebigkeit und Energieeffizienz zahlen sich am Ende aus. Im Herbst vergangenen Jahres hat Plansee die leichten, vollmetallischen Heizeinsätze auf der Furnaces North America präsentiert, der größten US-amerikanischen Fachmesse für Wärmebehandlung. Sie fand Anfang Oktober 2012 in Nashville (Tennessee) statt.

* Matthias Ebinger ist Sales Manager Market Unit Thermal Processes bei der deutschen Niederlassung Bad Urach der Plansee SE, 6600 Reutte (Österreich)

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