Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Nachhaltige, qualitative Schutzgasregelung für Magnesiumschmelzen

Magnesium (Mg) als leichtester metallischer Konstruktionswerkstoff hat für den Leichtbau zuneh-mende Bedeutung. Aufgrund der extrem hohen Reaktivität von Magnesiumschmelzen (Knallgasexplosion), müssen diese vor dem Kontakt mit der Luft etc. mittels spezieller Schutzgase abgedeckt werden. Die heute verwendeten Schutzgase sind entweder giftig (SO2) oder stark umweltschädlich (z.B. R134a), weshalb nur minimalste Mengen eingesetzt werden sollten. Bislang erfolgt keine Messung der gasförmigen Reaktionsprodukte sowie derer Konzentrationen in der Ofenatmosphäre, weshalb aktuell keine Regelungen der Schutzgaszufuhr existieren, sondern der Prozess rein empirisch gesteuert wird.

Mit diesem Forschungsvorhaben soll die Schutzgasatmosphäre in Mg-Schmelzöfen hinsichtlich ihrer chemischen Zusammensetzung zunächst untersucht und im Verlauf des Projekts ein Zufuhrrege-lungssystem entwickelt werden. Zunächst liefert eine detaillierte Analyse der Schutzgas-atmosphäre im Mg-Schmelzofen Erkenntnisse über vorhandene Gase, Reaktionsprodukte und Gaskonzentrationen. Dabei wird die Konzentration von Schutzgasen und Reaktionsprodukten mittels mehrerer nichtdispersiven Infrarotsensoren kontinuierlich gemessen. Anschließend wird eine automatische Schutzgaszufuhrregelung entwickelt, dabei wird der Schutzgasvolumenstrom geregelt. Abschließend wir das Reglungskonzept an einen Produktionsprozess adaptiert und validiert.

Dieses Forschungsprojekt liefert wichtige neue wichtige Kenntnisse über die Schutzgasatmosphäre in Mg-Schmelzöfen. Eine geregelte Schutzgaszufuhr entlastet die Umwelt nachhaltig, senkt das Brandrisiko und liefert wirtschaftliche Vorteile durch einen reduzierten Schutzgasbedarf. Von diesen Vorteilen können insbesondere klein- und mittelständische Unternehmen im den Bereichen Ofenbau, Gussteil- und Schutzgastechnikherstellung sowie Messtechnik profitieren. Neben der Stärkung von vorhandenen industriellen Strukturen werden auch neue Dienstleistungen und Anwendungen geschaffen.

Ergebniszusammenfassung:

Primäres Ziel des AIF IGF Projekts 19713 N „InProGas“ war es ein System zu entwickeln, welches anhand der Gaskonzentrationen innerhalb eines Magnesiumschmelzofens den optimalen Volumenstrom an Schutzgas (in diesem Projekt R134a und N2) automatisch und vom Bediener unabhängig einstellt und somit fehlerhafte Dosierungen vermeidet. Kritische Situationen, die zum Magnesiumbrand führen könnten, sollten frühzeitig erkannt und durch das System alarmiert sowie Gegenmaßnahmen selbstständig eingeleitet werden. Zudem wurde der Gehalt an Flusssäure, dem Hauptzersetzungsprodukt von R134a, für variierte Schutzgas- und Schmelzeparameter innerhalb und außerhalb des Ofens, in der Umgebung des Bedieners sowie an korrodierten Kühlleitungen gemessen. Auf diese Weise soll der Betrieb von Magnesiumschmelzanlagen sicherer und effizienter gemacht und Anwendungshürden für klein- und mittelständische Unternehmen (KMU) im Bereich der Magnesiumschmelztechnologie reduziert werden.

Dazu wurden zahlreiche Messungen folgender Gasgehalte innerhalb des Mg-Schmelzofens durchgeführt: O2, CO, CO2, NO, NO2. Anhand der Messergebnisse wurde ein Prototyp eines Schutzgasregel- sowie Brandfrühwarnsystems für den Einsatz in der Magnesiumschmelztechnologie entwickelt und in den Schmelzprozess einer Frech DAM 500F Warmkammerdruckgießzelle (5800 t Schließkraft, 520kg AZ91 Schmelzeinhalt) integriert. Das System überwacht dauerhaft die Konzentrationen der genannten Gase in der Atmosphäre zwischen dem Ofendeckel und der Schmelzbadoberfläche und stellt den optimalen an den tatsächlichen Bedarf angepassten Volumenstrom ein. Auf diese Weise wird der Magnesiumschmelzbetrieb sicherer, effizienter und ressourcenschonender.