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Sensorik und fortschreitende Automatisierung bei Temperaturen bis 900 °C: Zukunftsfähiger Schmelzbetrieb dank langfristig betriebener F+E-Projekte

Die Zukunft steuert unaufhaltsam in Richtung Smart Factories, doch zahlreiche Schmelzbetriebe stecken weiterhin ohne IT-Support mit ihrer Fließbandproduktion in der Industrie 2.0 fest. Oft fehlen bereits zentrale Elemente einer modernen Fabrik des

21. Jahrhunderts wie die Schnittstelle zu einem zentralen Datenbank-Server oder eine intelligente, aber hitzeresistente Automatisierung samt Sensorik, damit alle Anlagen untereinander kommunizieren können. Es gibt dafür zwar zahlreiche Protokolle, allerdings besteht bei vielen älteren Anlagen keine Möglichkeit, diese Protokollstandards nachzurüsten. Fehlende Forschungsausgaben und Zukunftsvisionen führten dazu, dass oftmals der Anschluss verpasst wurde. Daher sind immer Forschungsstrategien zu empfehlen, die aufeinander aufbauen, um somit stets am Puls der Zeit zu bleiben. Nur so kann sich ein Schmelzbetrieb auf lange Sicht den zahlreichen Herausforderungen der Zukunft stellen. Die ZPF GmbH investiert dafür gefördert vom BMWi und anderen Forschungsförderern seit Jahren in eine enge Zusammenarbeit mit unterschiedlichen Universitäten, um den aktuellen Anforderungen der Branche gerecht zu werden und eine Grundlage für innovative Produkte zu schaffen.

 Sven-Olaf Sauke, bei der ZPF GmbH verantwortlich für F+E

Eine wesentliche Herausforderung in der Industrie 4.0 ist aktuell die Automatisierung einer sogenannten predictive maintenance. Dabei wird der Maschinenpark kontinuierlich und prozessbegleitend überwacht (continuous system monitoring), um eine zustandsorientierte Wartung durchzuführen. Beispielsweise könnte in einer Smart Factory mit Schmelzofen die Reinigung durch einen Roboter vorgenommen werden, der sämtliche Parameter eines Ofens kennt und bereits vor einem kritischen Verschmutzungsgrad rechtzeitig in Aktion treten kann. Somit verhindert er selbständig in wenigen Minuten einen späteren Komplettausfall der Anlage und einen Stillstand des gesamten Maschinenparks.

Solange aber keine geeignete und gleichzeitig sichere Sensorik existiert, die den extrem hohen Temperaturen standhalten kann, können diese essenziellen Parameter nicht erfasst werden, obwohl sie Grundlage für Industrie 4.0 sind. Um die komplexen Automatisierungen bewerkstelligen zu können, benötigt die gesamte Fabrik umfangreiches Wissen über alle wichtigen Daten der Anlage – vom Füllstand des Ofens bis hin zum Verschmutzungsgrad im Badbereich. Daher hat etwa ZPF bereits über verschiedene Forschungsprojekte in der Vergangenheit Grundsteine gelegt, um heute darauf Lösungen für intelligent vernetzte Schmelzöfen aufzubauen.

 

Enoptal – von feuerfesten Materialien zur Brennertechnologie

Als Beispiel für den Anfang einer solchen Forschungskette dient an dieser Stelle das ZPF-Projekt „Enoptal“. In Folge der Klimapolitik um die Richtlinie 2009/29/EG mussten ab 2013 Hersteller und Verarbeiter von Aluminium mit einer Gesamtfeuerungswärmeleistung von 20 MW ihren CO2-Ausstoß begrenzen und gegebenenfalls neue Zertifikate hinzukaufen. Dies setzte Unternehmen in der Aluminiumindustrie unter Druck, zeitnahe Lösungen für einen geringeren CO2-Ausstoß zu finden. In der Folge wurde verstärkt in die Entwicklung effizienter Brennertechnologie investiert, um die Energiekosten zu senken und die Umwelt durch weniger Treibhausgase zu entlasten. Dabei wurden die Chargiermethodiken sowie Reinigungsintervalle der Öfen, aber auch die Abbrandverluste untersucht und welchen Einfluss diese Parameter auf die kritischen Emissionswerte haben.

Das Forschungsprojekt „Enoptal“ wurde vom BMWi gefördert, vom Projektträger Jülich betreut, mit der TU Bergakademie Freiberg durchgeführt und erfolgreich im Jahr 2011 abgeschlossen. Mithilfe verschiedener Feldversuche wurden die essenziellen Parameter bei einem Schmelz- und Warmhalteofen mit einer Schmelzleistung von
300 kg/h und 700 kg Warmhaltekapazität ermittelt und es wurde Optimierungspotenzial beim Feuerfest-Material und bei der Brenneranordnung erkannt, was zu einer Energieeinsparung von bis zu 10 Prozent führte. Diese fundamentalen Ergebnisse bildeten die Basis für das nächste größere Forschungsvorhaben.

 

Edusal-I + II – von der Brennertechnologie zur Sensorik

Als nächster Schritt in dieser Forschungskette stand die Schmelzanlage zusammen mit weiteren Anlagenkomponenten im Zentrum der Aufgabenstellung, um das gesamte Ofensystem daraufhin zu optimieren. Ziel war es, nach weiteren Energieeinsparpotenzialen bei Schmelzprozessen mit Aluminium zu suchen, den Abbrand zu minimieren, die Prozessüberwachung zu verbessern und die Grundlagen für ein modernes und effizientes Wärmerückgewinnungssystem zu schaffen. Da vor allem der Bereich „Messtechnik“ große Lücken aufweist, wurden in Zusammenarbeit mit dem BMWi, der Bergakademie Freiberg und der Leibnizuniversität Hannover die Möglichkeiten für ein System zur Überwachung und Steuerung betrachtet. Der Fokus lag in den Projekten „Edusal-I und II“ vor allen Dingen auf der Entwicklung einer Messtechnik zur sensorischen Erfassung des Ofenraums.

In einigen Bereichen werden wassergekühlte, optische Systeme zur Ofeninnenraumüberwachung eingesetzt  - beispielsweise nach der Reparatur von Glaswannen. Diese liefern zwar einen Einblick in den Zustand der Feuerfestauskleidung und anderer Prozessparameter, sind aber aus Sicherheitsgründen im rauen Alltagsbetrieb nicht einsetzbar oder dürfen bei Betreibern von Aluminiumschmelzanlagen nicht eingesetzt werden. Wenn ein solches System beschädigt und das Wasser ungewollt von 20 °C auf 900 °C erhitzt wird, kann die schlagartige Volumenveränderung des Wassers zu Explosionen und damit zu großen Sach- und Personenschäden führen. Die entwickelte Messmethode mit der dazugehörigen Software ermöglichte erstmals eine genaue Materialbestimmung auf der Schmelzbrücke in Bezug auf Menge und Lage während des Schmelzbetriebes. In diesem Rahmen wurde ein dynamisches Brennersystem entwickelt, das über die erfassten Messdaten regelmäßig auf das Schmelzgut ausgerichtet werden kann und dadurch die Effizienz des Gesamtsystems erhöht.

Ergänzend wurde die Anlage noch mit einem Wärmetauschersystem ausgerüstet. Mithilfe des Abgases wird die benötigte Brennerluft in dem Wärmetauscher erwärmt und an die Brenner geführt. Diese Erwärmung hat ein höheres Temperaturniveau beim Verbrennungsprozess zur Folge und führt zu einer signifikanten Gasersparnis. Aufgrund der Auslegung des Systems konnte hier ein Serienprodukt direkt aus der Forschung generiert werden. Das Forschungsprojekt endete erfolgreich im Jahr 2016 und ermöglichte eine weitere Energieeffizienzsteigerung von bis zu 15 Prozent an der Schmelzanlage. Auf dieser Grundlage wurden Baugruppen für einen Serieneinsatz überarbeitet. Heute existieren bereits Anlagen für den Versuchsbetrieb, die dort erfolgreich eingesetzt wurden. Die Messwerte aus dem Forschungsprojekt werden an diesen Anlagen im rauen Schmelzbetrieb bestätigt.

 

AlSO 4.0 – von der Sensorik zur Automatisierung

Dank der Erkenntnisse aus dem Edusal-II-Projekt zur Sensorik konnte ein berührungsloses optisches Prüfverfahren entwickelt werden, das eine Zustandsänderung des Aluminiumblocks erkennt. Dabei handelt es sich um ein Kamerasystem mit einer speziellen Auswertungslogik, das während des Schmelzbetriebs noch nicht aufgeschmolzenes Aluminium auf der Brücke erkennen kann. Aufgrund dieser neuen Sensorik ist eine objektive Bewertung des Schmelzvorgangs im Aluminiumofen möglich und der Anwender kann sich die aktuellen Mengen des zu schmelzenden Materials automatisch ermitteln lassen. Auf diese Weise können Kennwerte zur objektiven Bewertung der Schmelzleistung abgeleitet werden, wodurch eine kontinuierliche und prozessbegleitende Überwachung des Schmelzvorgangs garantiert wird. Dies eröffnet weitere Möglichkeiten für automatische Steuerungsvorgänge innerhalb einer Smart Factory.

Alle Resultate dieser Forschungsprojekte dienen als Grundlage für das aktuelle Projekt namens AlSO 4.0 (Aluminium Schmelzofen 4.0). Dabei wird in enger Zusammenarbeit mit der Technischen Universität Bergakademie Freiberg, der Universität Bremen und der Leibniz Universität Hannover sowie einem Aluminium-Schmelzofen-Betreiber gefördert vom BMWi an Steuerungs- und Auswertemöglichkeiten zur Automatisierung geforscht, die für weitere Schritte in der Prozesskette erforderlich sind. Dabei werden die zu untersuchenden Bereiche auf das gesamte Ofensystem ausgedehnt und die ersten Voraussetzungen geschaffen, um auch angrenzende Peripherie einzubinden und die gewünschte Effizienzsteigerung zu erreichen. Die vielfach beschriebene Verknappung von Ressourcen wird der Treiber für die weitere technische Entwicklung sein, die ohne Forschungsarbeit nicht darstellbar ist. Langfristige und systematische Forschung zahlt sich aus.

Quelle: ZPF GmbH