THERMPROCESS_Technik_D

Fachartikel Nr. 1: THERMPROCESS vom 16. bis 20. Juni 2015
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
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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 MagnesiumGusslegierungen: 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 kubischflächenzentrierten, formieren. Modell einer kubisch-raumzentrierten EisenElementarzelle 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 kubischraumzentrierte 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
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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.
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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 GiessereiFachmesse), 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 NonFerrous 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
Fachartikel Nr. 1: THERMPROCESS vom 16. bis 20. Juni 2015
Wärmetechnik: Zeitlos wichtig für metallurgische Prozesse
Die THERMPROCESS 2015 – Internationale Fachmesse für Thermoprozesstechnik
Pressereferat GIFA, METEC; THERMPROCESS, NEWCAST 2015
Tania Vellen
0049211/4560-518
[email protected]
Brigitte Küppers
0049211/4560-929
[email protected]
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