Bielefeld, September 2009 — Höchste Treffsicherheit ist die zentrale Herausforderung bei der Lokalisierung defekter Strahlheizrohre in Wärmebehandlungsöfen. Die von Linde Gas Deutschland entwickelte neue Verfahrenstechnologie setzt auf Helium – und bietet damit ein Konzept zur vollautomatischen Detektion von Leckagen bei Strahlrohren in Wärmebehandlungsöfen.
Wärmebehandlung von metallischen Werkstoffen und Werkstücken in sogenannten Wärmebehandlungsöfen zielt darauf ab, Spannungen im Metall abzubauen, das kristalline Gefüge zu verändern oder Änderungen der chemischen Zusammensetzung herbeizuführen. Hierzu werden die metallischen Werkstoffe und Werkstücke in einem Wärmebehandlungsofen einer bestimmten Prozessatmosphäre ausgesetzt und definierten Temperaturänderungen unterworfen. Solche Wärmebehandlungsöfen werden häufig indirekt über Strahlungswärme beheizt. Die indirekte Beheizung kommt dann zum Einsatz, wenn das zu erwärmende Gut vor Verbrennungsgasen geschützt oder in einer bestimmten Prozessgasatmosphäre gehalten werden muss. Die notwendige Strahlungswärme wird oftmals über Strahlheizrohre geliefert. Diese Strahlheizrohre gibt es in unterschiedlichen Ausführungen bzw. Formen. Allen gemeinsam ist eine geschlossene Brennkammer, also ein Hohlraum, in dem ein Brennstoff mit einem sauerstoffhaltigen Gas verbrannt wird.
Undichte Strahlheizrohre – Folgen und bisherige Maßnahmen
Im Produktions-Prozess: Eine undichte Stelle an einem Strahlheizrohr führt dazu, dass Verbrennungsgase wie CO2 und H2O in den Wärmebehandlungsofen eindringen können. Dadurch wird die Prozessatmosphäre im Ofen verunreinigt und die Qualität der behandelten Werkstücke beeinträchtigt.
Bei den Kosten: Defekte Strahlheizrohre können im Einzelfall hohe Kosten nach sich ziehen. Wenn beispielsweise das gewünschte Wärmebehandlungsergebnis nicht auf Anhieb erreicht wird, kann eine Nacharbeit des Guts durch Zweitglühung in anderen Öfen nötig werden. Oder es entstehen Mehrkosten durch suboptimale Logistik und Verschlechterung der Flexibilität im Werk. In Extremfällen müssen sogar Öfen außer Betrieb genommen werden um das Leck zu finden.
Bisherige Maßnahmen: Grundsätzlich gilt: je größer der Ofen, desto aufwändiger die Lecksuche. In größeren Wärmebehandlungsöfen werden leicht bis zu 200 und mehr Strahlheizrohre eingesetzt, um den Ofen gleichmäßig zu erhitzen. Bei einer solchen Größenordnung ist die Detektion einzelner defekter Strahlheizrohre – in der Regel durchgebrannte, gerissene oder abgebrochene Strahlheizrohre – in den gängigen Verfahren äußerst aufwändig. Eine Methode besteht darin, bei Verdacht auf Strahlrohrschaden einzelne Brennergruppen im laufenden Ofenbetrieb außer Funktion zu setzen, um anschließend an repräsentativen Messpositionen ein Abfallen des CO2-Gehaltes festzustellen.
Aufgrund der trägen Reaktionsgeschwindigkeit großer Ofenvolumina sowie der meist unbekannten Strömungsverhältnisse im Ofenraum führt diese Vorgehensweise jedoch nicht immer zum Erfolg. Extrem erschwert wird die Fehlersuche bei dieser Methode, wenn gleichzeitig mehrere Strahlheizrohre defekt sind. Zudem erschwert die kontinuierliche Chargierung/Beschickung des Ofens mit Material die Interpretation der Messergebnisse. Zwar ist es unter Umständen erfolgversprechend, einzelne Brenner hinzuzunehmen, um so in der auffälligen Brennergruppe das defekte Strahlheizrohr einzukreisen. Diese Methode erfordert jedoch einen hohen Zeitaufwand, hochwertiges Messgerät sowie qualifiziertes Personal.
Eine weitere Lecksuchmethode stellt das Abdrücken der Strahlheizrohre dar. Diese Methode ist extrem personalaufwändig. Den meisten Anlagen stehen keine geeigneten Anschlüsse zur Verfügung, um an den Strahlrohren geeignete Dichtflansche bzw. Fittinge anzubringen. Dies gilt besonders für die Abgasseite. Diese Methode birgt darüber hinaus die Gefahr, dass Leckagen unentdeckt bleiben, da die Strahlheizrohre beim Abdrücken nicht betrieben werden und somit unter einem anderen Temperaturregime stehen. Aus diesem Grund können durch thermische Ausdehnungsvorgänge bedingte Risse im Strahlheizrohr wieder geschlossen sein, da sie während des Abdrückens nicht beheizt sind. Dennoch kann auch diese Methode zum Erfolg führen.
Die genannten Verfahrensweisen kamen bisher erfolgreich zum Einsatz, allerdings sind sie allesamt zeit- und kostenintensiv sowie nicht automatisierbar. Vor allem der Umstand, dass in der Regel mit der Lecksuche erst begonnen wird, nachdem bereits Probleme in der Produktion aufgetreten sind, birgt hohe finanzielle Risiken. Denn während der Suche nach dem defekten Strahlheizrohr steht der Ofen für die Produktion nicht oder nicht im vollen Umfang zur Verfügung.
Vorbeugende Schadensminimierung
Für jeden Betreiber ist es notwendig, den optimalen Zustand der Strahlheizrohre zu gewährleisten, um eine maximale Prozesssicherheit zu realisieren. Dies ist in der Praxis bislang jedoch kaum zu bewerkstelligen. Ein regelmäßiges Drehen nichtkeramischer Strahlheizrohre unter erheblichem Personal- und Kostenaufwand ist bei horizontal montierten Strahlheizrohren zwar üblich und wird zur Standzeitverlängerung der Strahlheizrohre von Ofenbauern oftmals auch empfohlen. Es bietet jedoch keine Gewähr für einen einwandfreien Zustand der Strahlheizrohre, da diese beim Drehen in der Regel keiner Sichtprüfung unterzogen werden – Drehen bei Verbleib des Strahlheizrohres im Ofenraum bei laufendem Ofenbetrieb unter Schutzgas ist durchaus gängige Praxis. Eine Ofenbegehung ist oftmals aufgrund der Raumgrößen ganz unmöglich, führt aber auch bei begehbaren Anlagen nicht immer zur Aufdeckung eines kleineren oder mittleren Lecks. Die Rohre können meist nicht von allen Seiten betrachtet werden.
Häufig wird an Schutzgasofenanlagen die Frischgaszufuhr erhöht, um die Atmosphärenqualität aufrecht zu erhalten. Die oftmals für die Verschlechterung der Qualität verantwortlichen defekten Strahlheizrohre werden dann aber aufgrund des Verdünnungseffektes nicht bemerkt. Ähnliches gilt für Fettungsgasmengen, die automatisch und unbemerkt durch eine Atmosphärenregelung erhöht werden. Es liegt auf der Hand, dass derartige Verfahrensweisen zu unnötig hohen Schutzgaskosten sowie Verschlechterung der CO2-Bilanz der Gesamtanlage führen.
Der vermehrte Einsatz keramischer Strahlheizrohre in den letzten Jahren verbesserte die Situation, schützt jedoch nicht vollständig gegen Defekte. Keramische Strahlheizrohre brechen – wodurch auch immer hervorgerufen – oft vollständig ab. Die Folge ist eine entsprechend starke Atmosphärenverschlechterung im Ofen. Fehlbedienungen durch manuelle Eingabe nicht optimierter Temperaturen für aufeinander folgende Heizzonen lassen sich hingegen durch moderne Regelungskonzepte und automatische Optimierungsmethoden vermeiden.
Helium-Lecksuchtechnik
Die Lecksuche mit dem Edelgas Helium und der Nachweis dieses Edelgases mit Helium-Lecksuchgeräten hat in den letzten Jahrzehnten sehr an Bedeutung gewonnen. Heute kann man diese Methode als die wichtigste in der Lecksuchtechnik bezeichnen. Modernste Massenspektrometer, die hier zum Einsatz kommen, sind in der Lage, Konzentrationen von wenigen ppm zu detektieren. Im Rahmen der Versuche wurde ein PhönixL300 des Herstellers Oerlikon-Leybold mit einer Messgenauigkeit von
< 5 x 10 -12 mbar l/s im Schnüffelmodus eingesetzt. Dies entspricht in etwa einer Auflösung von < 5 ppt.
Im Rahmen eines Grundlagenversuches wurde die Tauglichkeit der Helium-Lecksuchtechnik für das Auffinden defekter Strahlheizrohre an zwei für das Glühen von Stahlrohren typischen Rollenherdöfen unterschiedlicher Größe, jeweils mit Kühlstrecke, getestet. Zwar stellten sich die Spitzenwerte der Messungen nicht wie erwartet in Abhängigkeit von der Entfernung vom Impfpunkt zur Gasentnahme ein. Allenfalls die Höhe der Peaks ließ ansatzweise einen Schluss über die Entfernung zwischen Leck und Messpunkt zu. Der Vergleich der Kurven von Ofen A und Ofen B zeigt, dass die Verdünnung beim größeren Ofen A stärker war. Das eigentliche Ergebnis aber war, dass in beiden Öfen bei jeder versuchsweise vorgenommenen Heliumimpfung ein eindeutiger Ausschlag am Messgerät zugeordnet werden konnte.
Helium-Lecksuchverfahren – praktische Durchführungsaspekte
Der wesentliche Punkt des Helium-Lecksuchverfahrens besteht darin, das Helium zu einem definierten Zeitpunkt lediglich einem einzigen, ganz bestimmten Strahlheizrohr zuzuführen und anschließend auf einen signifikanten Ausschlag am Heliumdetektor zu warten. Bleibt dieser Ausschlag innerhalb eines gewissen Zeitraumes aus, kann davon ausgegangen werden, dass das geprüfte Strahlheizrohr intakt ist. Erst nach diesem Gutbefund wird das nächste Strahlheizrohr geprüft. Abhängig vom Ofentyp ist zu entscheiden, an welcher Position die Messgasentnahme zu erfolgen hat.
Die Überprüfung sämtlicher Brenner eines Wärmebehandlungsofens auf manuelle Weise ist mit dieser Methode zwar denkbar, wäre allerdings auch kostenintensiv und wenig sinnvoll. Zielführend ist die Implementierung eines Systems, das die Überprüfung in regelmäßigen Zeitabständen während des laufenden Ofenbetriebes vollautomatisch durchführt. Eine entsprechende Steuerungs- und Auswerteeinheit, die auch in die Ofenbrennersteuerung integriert sein kann, ordnet jedem gemessenen Heliumwert exakt ein defektes Strahlheizrohr zu und leitet vorprogrammierte Maßnahmen ein. Das undichte Rohr wird dann entweder außer Betrieb genommen oder das System löst einen Alarm aus. Um Schäden vorzubeugen, kann die Steuereinheit auch bestimmte Prüfzyklen vordefiniert ausführen – etwa bei besonders gefährdeten Brennergruppen.
Eine Beeinträchtigung des Glühergebnisses durch das Helium kann übrigens ausgeschlossen werden. Helium verhält sich bei allen in Frage kommenden Prozessen völlig inert.
Heliumverbrauch
Der Heliumverbrauch eines solchen vollautomatisch arbeitenden Screeningsystems wird beeinflusst durch unterschiedliche Faktoren wie Häufigkeit der Prüfung, Strahlheizrohranzahl, Ofengröße (Volumen), Strömungsverhältnisse, Frischgaszufuhr (Menge) oder Frischgasquelle (Helium-Anteil in Erdgas). Beispielsweise liegt der Verbrauch an einem Rollenherdofen, wie er bei den Versuchen untersucht wurde (Ofen mit 70 Strahlheizrohren), bei einem wöchentlich einmal durchgeführten kompletten Screening mit Impfdosen von 20,8 l Helium je Prüfung und 50 Betriebswochen pro Jahr bei ca. 73 m³/a. Dies entspricht dem Inhalt von acht handelsüblichen Heliumgasflaschen.
Kritische Leckmengen für Schutzgasöfen
Durchweg haben alle unter atmosphärischem Druck betriebenen Schutzgasöfen eine gewisse, konstruktiv bedingte Leckage durch Ofenöffnungen, Chargierung, Türdichtungen, Durchführungen, Lager etc. Im normalen Ofenbetrieb dringt an diesen Stellen durch Unterdruck oder Diffusion eine gewisse Menge Sauerstoff in den Ofen ein. In der Regel reicht die Pufferwirkung der Ofenatmosphäre aus, um die negative Beeinflussung der Ofenatmosphäre hin zu einem erhöhten Taupunkt zu kompensieren. Die Ursache dafür ist die Reaktion des Sauerstoffes mit dem normalerweise in der Schutzgasatmosphäre vorhandenen Wasserstoff. Eine unzulässige Taupunkterhöhung bedeutet, je nach Prozess, eine Verringerung des Kohlenstoffpotentiales sowie der Reduktionsneigung der Ofenatmosphäre. Bei einem intakten Ofenprozess wird die eindringende Sauerstoffmenge durch hinreichende Frischgaszufuhr abreagiert, ohne dass sich die Atmosphäre verschlechtert. Eine Detektion konstruktiv bedingter Leckagen war nicht Gegenstand dieser Untersuchung.
Defekte Strahlheizrohre verschlechtern die Ofenatmosphäre durch in den Prozess eindringende Verbrennungsprodukte wie CO2 und H2O. Um abschätzen zu können, welchen Einfluss ein Leck an einem Strahlheizrohr auf einen Prozess hat, sollen folgende Vorannahmen getroffen werden:
Beispiel 1:
Rollenherddurchlaufofen mit 70 Strahlheizrohren a 20 KW, Ofentemperatur 920°C, Ofenraumvolumen 100 m³, Brennstoff Erdgas. Ofenatmosphäre bestehend aus 10 Vol. % CO, 18 Vol. % H2, 0,401 Vol. %CO2 , Taupunkt 7,62°C (1,037 Vol. %). Hieraus ergibt sich ein C-Pegel von nur 0,10 Vol. %. Eine Frischgaszufuhr wird, wie auch im Beispiel 2, außer Acht gelassen.
Stellt sich nun an einem Strahlheizrohr ein Leck ein, aus dem ca. 10 % der Abgasmenge (Gesamtabgasmenge ca. 22 m³/h bei Volllast) in die Ofenatmosphäre entweichen, strömen stündlich 2,2 m³/h Abgas, bestehend aus ca. 11 Vol. % CO2, 22 Vol. % H2O, Rest N2 in den Ofenraum. Bei Vermischung dieser Gase mit dem gesamten, vorgegebenen Ofenvolumen verändert sich der CO2-Gehalt auf 0,643 Vol. %; der Wassergehalt von 1,037 Vol.% auf 1,521 Vol.% was einem Taupunkt von 13,4°C entspricht. Insbesondere der erhöhte Taupunkt zeigt bereits eine Verringerung des Kohlenstoffpotentiales von 0,10 % auf 0,07 % an, was z.B. bei niedrig gekohlten Dieselrohren bereits zu einer kritischen Entkohlung führen kann.
Beispiel 2:
Das gleiche Leck sei nunmehr bei Betrieb desselben Ofens bei 960°C mit einer Aufkohlungsatmosphäre und einem Kohlenstoffpegel von 1,2 % betrachtet. Diese Atmosphäre hätte beispielsweise ohne Leck einen CO-Gehalt von ca. 20,0 Vol.%, 38,0 Vol. % H2, bei 0,0583 Vol. % CO2 und einem Taupunkt von -14,0°C (0,179 Vol.%). Mit der Abgasmenge aus dem Leck ergäben sich ein CO2-Gehalt von 0,30 Vol. % und eine Taupunktverschlechterung auf 1,15 °C (0,663 Vol. %). Errechnet man mit diesen Zahlen erneut den theoretischen C-Pegel der verunreinigten Ofenatmosphäre kommt man auf C-Pegel Werte zwischen 0,33 und 0,43 %.
Analoge Betrachtungen ließen sich mit ähnlichem Endergebnis auch für kohlenstofffreie Wasserstoff-Stickstoffatmosphären hinsichtlich ihres Reduktionspotentiales anstellen.
Auch wenn die ermittelten Werte lediglich grobe theoretische Annäherungen darstellen, verdeutlichen Sie doch anschaulich den Effekt von defekten Strahlheizrohren. Es ist leicht nachzuvollziehen, dass ein kleineres Ofenvolumen, eine verringerte Frischgaszufuhr sowie ein größeres Leck den Effekt verstärken werden, ein größeres Ofenvolumen, erhöhte Frischgaszufuhr sowie ein kleineres Leck ihn abschwächen. Nicht immer lassen sich die negativen Effekte durch erhöhte Fettungsgaszugabe kompensieren. Auch reagieren hohe C-Pegel stärker auf Leckagen in Strahlheizrohren. In den vorgenannten Beispielen wird eine homogene Verteilung des Abgases im Ofenraum angenommen. In realen Anlagen – insbesondere Durchlaufofenanlagen – kann der lokal auftretende Effekt einer Leckage noch erheblich stärker ausfallen. Dies hängt von den Strömungsverhältnissen, der Verteilung und Vermischung der Gase im Ofenraum ab.
Fazit
Das Helium-Lecksuchverfahren stellt eine neue, effektive und kostensparende Lösung dar, Leckagen in Strahlheizrohren von Wärmebehandlungsöfen schnell und sicher zu detektieren. Das Verfahren lässt sich bei Neuanlagen ebenso einsetzen wie in vorhandenen Anlagen nachrüsten. Die laufenden Betriebskosten sind minimal im Verhältnis zu den Betriebskosten einer Wärmebehandlungsanlage. Die Investitionskosten werden in Abhängigkeit von der Kostenstruktur und -transparenz beim Anwender binnen kürzester Zeit amortisiert. Die Wirtschaftlichkeit der Gesamtanlage erhöht sich durch die wesentlich verbesserte Verfügbarkeit und durch den minimierten Schutzgasverbrauch. Weitere Synergien können durch die Kopplung mehrerer Wärmebehandlungsanlagen an ein zentrales Auswertegerät entstehen. Des Weiteren liefert das zum Patent angemeldete Verfahren durch die Möglichkeit, die Schutz- und Fettungsgasmengen zu minimieren, einen aktiven Beitrag zur CO2-Minimierung an Wärmebehandlungsanlagen. Das System kann, optional mit der kompletten Ofensteuerung, in die von Linde vermarkteten Systeme CARBOFLEX® und HYDROFLEX® implementiert werden.
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