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Fachartikel Nr. 1: THERMPROCESS Wärmetechnik

04.12.2014

Fachartikel Nr. 1: THERMPROCESS Wärmetechnik

Wärmetechnik: Zeitlos wichtig für metallurgische Prozesse

Die THERMPROCESS 2015 – Internationale Fachmesse für Thermoprozesstechnik

Werkstofftechnik und Wärmetechnik sind eng miteinander verbunden.

Energie, meist in Form von Wärme, ist nötig, um Erze zu verhütten, das dabei gewonnene Metall zu veredeln und zu vergießen. Während der Formgebung und auch danach müssen Metallteile normalerweise einer Wärmebehandlung (WBH) unterzogen werden, um bestimmte mechanische Eigenschaften zu erhalten. Aber auch zur Herstellung und Verarbeitung von nichtmetallischen Werkstoffen wie Glas, Keramik und Polymeren sowie von Baustoffen wie Zement ist Wärme nötig. Dementsprechend vielfältig sind die thermischen Prozesse und die zur Durchführung nötigen Öfen und Anlagen. Durch die Optimierung dieser Anlagen und der thermischen Prozessketten bis hin zur Nutzung von Abwärme haben die Anlagenhersteller wie auch die Anwender viele Möglichkeiten, Betriebskosten zu reduzieren. Neue Werkstoffe und neue thermische und thermomechanische Verfahren ermöglichen vielversprechende Anwendungen.

Der folgende Beitrag geht auf einige technische Besonderheiten im Umgang mit Wärme in der metallurgischen Industrie ein. Einen Einblick in den aktuellen Stand der Wärmeprozesstechnik, die Anwendungsvielfalt und künftige Entwicklungen vermittelt die Fachmesse THERMPROCESS 2015 vom 16. bis 20. Juni 2015 in Düsseldorf.

Schmelzen und Gießen
Eisenwerkstoffe sind die am meisten verwendeten metallischen Werkstoffe. Die größte Gruppe bilden Stähle, Eisen-Kohlenstoff-Legierungen mit einem Kohlenstoffgehalt zwischen 0,01% und 2,06% und zugegebenen Metallen wie Chrom, Nickel oder Mangan. Roheisen, der Ausgangswerkstoff, entsteht in Hochöfen, in denen Eisenerz, Zuschlagstoffe und Koks verhüttet werden. Dabei bildet sich flüssiges Roheisen, das beim „Abstich“ den Hochofen mit einer Temperatur von rund 1500°C verlässt. Im Jahr 2013 wurden weltweit 1,6 Mrd. t Rohstahl erzeugt. Der flüssige Rohstahl sowie Stahlschrott und Legierungsmetalle werden in Konvertern oder Elektrolichtbogenöfen zu Stahl verfeinert. Stähle, die in großen Mengen benötigt werden, erhalten ihre Form durch Stranggießen und danach – während der Strang erstarrt – durch Warmwalzen. Je nach Stahl-Zusammensetzung erfolgt das Stranggießen bei Temperaturen von bis zu mehr als 1600°C, das Warmwalzen bei Temperaturen von bis zu 1250°C.

Erfolgt die Formgebung durch Gießen, sind für Stahlguss Gießtemperaturen von 1500 bis 1700°C nötig, für Gusseisen, Eisen-Kohlenstoff-Legierungen mit mehr als 2,06% Kohlenstoffanteil, 1340 bis 1480°C. Wichtige Nichteisenmetalle haben folgende Gießtemperaturen: Zink-Druckgusslegierungen: 420 bis 580°C, Aluminium- und Magnesium-Gusslegierungen: 620 bis 730°C, Kupfer-Zink-Legierungen („Messing“): 960 bis 1160°C und Titan-Gusslegierungen: 1700 bis 1800°C.

Umformen
Außer zum Schmelzen und Gießen von Metallen wird Wärme auch benötigt, um das Werkstoffinnere von Halbzeug und Fertigprodukten, das Gefüge, zu beeinflussen, weil auf diese Weise bestimmte Festigkeitseigenschaften erzeugt werden können. Typisch für Metalle ist, dass sich deren Atome gitterartig anordnen. Bei manchen Metallen und Legierungen, Verbindungen aus mindestens zwei Metallen, bilden sich abhängig von der Temperatur unterschiedliche Raumgitter. Ein herausragendes Beispiel ist Eisen, dessen Atome sich je nach Temperatur zu zwei Arten von Raumgittern, einem kubisch-raumzentrierten und bei höheren Temperaturen einem kubisch-flächenzentrierten, formieren. Modell einer kubisch-raumzentrierten Eisen-Elementarzelle in 165-milliardenfacher Vergrößerung ist das „Atomium“, Wahrzeichen der belgischen Hauptstadt Brüssel. Die Kugeln, acht an den Ecken und eine in der Mitte eines Würfels, stellen die Eisenatome dar. Die Phase, also der Bereich, in dem die Eisenatome im Stahl eine kubisch-raumzentrierte Anordnung haben, nennt man α-Eisen oder Ferrit, die andere Phase γ-Eisen oder Austenit. Stähle lassen sich im Austenit-Bereich, also bei höheren Temperaturen, leichter umformen als im Ferrit-Bereich. Da die Raumgitter im γ-Eisens mehr Platz zur Aufnahme der vergleichsweise kleinen Kohlenstoffatome haben als die kubisch-raumzentrierten Raumgitter des α-Eisens, kann man durch thermische Prozesse bestimmte Festigkeitszustände erzeugen. Kühlt man zum Beispiel ein Stahlstück aus dem Austenit-Bereich sehr schnell in den Ferrit-Bereich ab, haben die Kohlenstoffatome keine Möglichkeit, die Raumgitter beim „Umklappen“ zu verlassen und werden eingeschlossen, was hohe Spannungen verursacht. Das Stahlstück hat dann eine sehr hohe Härte und Festigkeit, ist allerdings auch sehr spröde. Durch Glühen erreicht man, dass ein Teil der Kohlenstoffatome die Eisenatomgitter verlassen kann, wodurch eine Entspannung eintritt. Bei bestimmten Stählen ist es möglich, durch eine Wärmebehandlung (WBH) wie Induktionsglühen oder Erhitzen mit einem Laserstrahl lokal begrenzte Bereiche zu erwärmen und gezielt abzukühlen, so dass sich beispielsweise eine harte, verschleißbeständige Oberfläche erzeugen lässt, während das Innere des Werkstücks duktil („zäh“) bleibt. Derartige Eigenschaften müssen Zahnräder und andere Getriebeteile erfüllen. Neben rein thermischen Verfahren gibt es auch thermochemische und thermomechanische Verfahren, um Komponenten aus bestimmten Stählen bestimmte Festigkeitseigenschaften zu geben.

Mit Wärme lassen sich auch Spannungen im Gefüge abbauen, die beim Kaltumformen entstehen. Der Unterschied zwischen Kalt- und Warmumformen ist, dass unterhalb einer bestimmten Temperaturschwelle das Gefüge lediglich verzerrt wird, wodurch Härte und Festigkeit ansteigen, während es sich oberhalb der Temperaturschwelle ständig neu ordnet. Als Beispiel könnte man das Walzen von Bandmaterial aus Aluminium heranziehen. Barrenförmiges Ausgangsmaterial wird zunächst auf Temperaturen von 500 bis 600°C vorgewärmt und durch Warmwalzen zu Bändern mit wenigen Millimetern Dicke ausgewalzt. Die Weiterverarbeitung erfolgt durch Kaltwalzen. Da dabei der Werkstoff zunehmend fester wird, muss er durch Zwischenglühen bei 350 bis 400°C wieder „weich“ gemacht werden. Schließlich geht es noch darum, dem fertig gewalzten Band die Eigenschaften zu geben, die zur Weiterverarbeitung verlangt werden. Das Band, das sich beim Kaltwalzen durch die dabei eingebrachte Energie auf 150°C und mehr erwärmt, wird nach dem Walzen auf unter 60°C abgekühlt, dann nach einem bestimmten Zeit-Temperatur-Programm bei 480°C geglüht und schließlich wieder auf Raumtemperatur abgekühlt. Jetzt hat es die Eigenschaften, die nötig sind, um daraus Artikel wie Motorhauben, Offsetdruckplatten, Getränkedosen oder Joghurtdosendeckel herzustellen.

Technische Tendenzen
Werkstoffhersteller arbeiten mit Forschungsinstituten an der Weiter- und Neuentwicklung von metallischen Werkstoffen, deren Eigenschaften sich durch thermische oder thermomechanische Prozesse steigern lassen. Zusammen mit Anlagenherstellern werden auch neue Produktionsverfahren entwickelt und herkömmliche weiterentwickelt. Bei der Fertigung von Einzelteilen, beispielsweise Komponenten von Fahrzeuggetrieben, ist man dabei, die Wärmebehandlung in die Fertigungslinien zu integrieren. Ergebnis einer erfolgreichen Zusammenarbeit von Fachleuten unterschiedlicher Disziplinen sind auch „presshärtende Stähle“ (PHS), die beispielsweise in Form von Blechen in der Automobilindustrie eingesetzt werden. Sie werden zur Verarbeitung erwärmt, in diesem Zustand in die Umformpresse eingelegt und erhalten beim Umformen ihre Form und ihre Festigkeitseigenschaften. Würde man den Eiffelturm in Paris mit modernen Stählen bauen, wäre dazu nach Aussagen der Worldsteel Association, des Dachverbandes der Stahlindustrie, nur ein Drittel der einst verbauten Stahlmenge nötig. Große Potentiale, um Betriebskosten zu reduzieren, birgt auch die Optimierung von Industrieöfen und anderen WBH-Anlagen wie auch von thermischen Prozessketten bis hin zur Nutzung von Abwärme.

Die Fachmesse THERMPROCESS 2015
Betriebe, die thermische Prozesse durchführen, müssen auf Energie- und Rohstoffeffizienz achten. Moderne Wärmebehandlungsanlagen spielen dabei eine wichtige Rolle. Darüber und über die zukunftsweisenden Entwicklungen informiert die internationale Fachmesse THERMPROCESS, die parallel zu den thematisch benachbarten Fachmessen GIFA, METEC und NEWCAST unter dem gemeinsamen Leitgedanken The Bright World of Metals vom 16. bis 20. Juni 2015 in Düsseldorf stattfindet.

The Bright World of Metals
Die vier internationalen Technologiemessen GIFA (Internationale Giesserei-Fachmesse), METEC (Internationale Metallurgie-Fachmesse), THERMPROCESS (Internationale Fachmesse für Thermoprozesstechnik) und NEWCAST (Internationale Fachmesse für Gussprodukte) präsentieren sich vom 16. bis 20. Juni 2015 in Düsseldorf. Dann stehen in der Rheinmetropole fünf Tage lang die Themen Gussprodukte, Gießereitechnologie, Metallurgie und Thermoprozesstechnik im Fokus der Weltöffentlichkeit. Begleitet werden die Messen erneut von einem hochkarätigen Rahmenprogramm mit Seminaren, internationalen Kongressen und Vortragsreihen. Im Fokus aller vier Fachmessen und den dazugehörigen Programmen steht das Thema Energie- und Ressourceneffizienz. Bei den Vorveranstaltungen im Jahr 2011 besuchten insgesamt 79.000 Fachleute aus 83 Ländern die Stände der 1.958 Aussteller. Weitere Informationen gibt es im Internet unter www.gifa.de, www.metec.de, www.thermprocess.de und www.newcast.de.

Unter dem Motto “The Bright World of Metals” veranstaltet die Messe Düsseldorf nicht nur GIFA, METEC, THERMPROCESS und NEWCAST, sondern in der ganzen Welt hochkarätige Fachmessen für die Metallurgie- und Giessereiindustrie. Dazu gehören die Messen FOND-EX (International Foundry Fair) und Stainless in der Tschechischen Republik, Metallurgy India , Metallurgy-Litmash (International Trade Fair for Metallurgy Machinery, Plant Technology & Products) und die Aluminium Non-Ferrous in Russland, die indometal in Indonesien, die metals middle east in Dubai, die ITPS (International Thermprocess Summit) Americas und Asia sowie die Aluminium-Messen in China, Indien, den Vereinigten Arabischen Emiraten und Brasilien. Am Standort Düsseldorf ergänzen die: Valve World Expo (Internationale Fachmesse mit Kongress für Industriearmaturen) und der ITPS Düsseldorf sowie die von Reed Exhibitions durchgeführte Weltmesse ALUMINIUM und die Composites Europe das Angebot für die Metallbranchen.

Weitere Informationen und Fotos unter www.thermprocess.de

Pressereferat GIFA, METEC; THERMPROCESS, NEWCAST 2015
Tania Vellen
0049211/4560-518
vellent@messe-duesseldorf.de
Brigitte Küppers
0049211/4560-929
kueppersb@messe-duesseldorf.de

THERMPROCESS_Technik_D.rtf (164.5 KB)
THERMPROCESS_Technik_D.pdf (324.1 KB)
 
 

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