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High Efficiency Aluminium Billet Heater (ALUHEAT)

Leitung:Prof. Dr.-Ing. B. Nacke
Bearbeitung:Dipl.-Ing. A. Ulferts
Laufzeit:01.06.2005 – 30.11.2008
Förderung durch:EU 6. Rahmenprogramm Contract No. 013683
Link:www.aluheatproject.com
Bild High Efficiency Aluminium Billet Heater (ALUHEAT)

Projektbeschreibung

Aus Aluminium oder Aluminiumlegierungen hergestellte Profile werden in unterschiedlichsten Anwendungsgebieten verwendet, im Gebäudebereich für Fenster- und Türrahmen, im Präsentationsbereich für Posterrahmen und White Boards, für die Innenraumausstattung moderner Büros sowie in vielen industriellen Bereichen.

Derartige Profile werden im Strangpressverfahren hergestellt, das heißt ein Aluminiumbolzen  (auch Billet genannt) wird in einer Strangpresse durch eine  entsprechend geformte Matrize zu einem Profilstrang gepresst. Um die Umformung von Aluminium zu ermöglichen, muss der Aluminiumbolzen dazu auf eine Temperatur von etwa 500°C vorgeheizt werden, damit das Material für die Umformung entsprechend „weich“ ist und in der Strangpresse vor der Matrize fließen kann.

Zur Erwärmung der Aluminiumbolzen werden heute üblicherweise Gas- oder Induktionserwärmer eingesetzt. Moderne mit elektrischer Energie gespeiste Induktionserwärmer weisen bereits umfassende Vorteile gegenüber Gaserwärmern auf. Der entscheidende Vorteil von Induktionserwärmern ist die wesentlich höhere Aufheizgeschwindigkeit, die eine bessere Energieausnutzung durch geringere Wärmeverluste, einen deutlich geringeren Materialabbrand und eine höhere Produktivität erlaubt.

Dennoch werden auch bei einem Induktionserwärmer nur 50 – 60% der eingesetzten Energie in dem Aluminiumbolzen in Wärme umgesetzt. Der Rest tritt in der Induktionsspule als Wärmeverlust auf und wird an das Kühlwasser und damit üblicherweise an die Umwelt als Abwärme abgegeben. Die Anlagenleistung von Induktionserwärmern zur Bolzenerwärmung beträgt heute bis zu 2000 kW. Damit müssen bis zu 1000 kW Kühlleistung für derartige Erwärmer aufgebracht werden, die nutzlos über Kühltürme an die Umwelt abgegeben wird. Bei einem durchschnittlichen Strompreis von 10 ct pro kWh und 4000 Betriebsstunden der Installation ergeben sich Kosten für die Energieverluste von rund 400 000 € pro Jahr.

Ein neues Konzept mit Einsatz von Supraleitung soll diese Wärmeverluste erheblich senken. Ziel des neuen Verfahrens ist eine Verbesserung der Energieübertragung auf den Aluminiumbolzen auf über 90%. Damit lassen sich 40 % der Energieverluste einsparen. Der Einsatz von Supraleitung wäre damit ein Durchbruch bei induktiv beheizten Verfahren, die enorme Abwärme durch die Induktionsspule zu vermeiden.

Das ETP wurde im Jahre 2005 Partner in einem von der EU geförderten Projekt zur Entwicklung und Realisierung eines neuartigen Konzeptes zum Erwärmen von Aluminiumbolzen für das Strangpressen unter Einsatz supraleitender Spulen, zusammen mit 8 weiteren Partnern aus Deutschland, Norwegen, Finnland, Polen, Tschechien und Italien. Bei dem neuartigen Konzept wird im Gegensatz zum konventionellen Induktionserwärmer kein elektromagnetisches Wechselfeld, sondern ein Gleichfeld eingesetzt, das von einem supraleitenden Magneten nahezu verlustfrei erzeugt wird und daher wesentlich höhere elektrische Wirkungsgrade als ein Wechselfeld ermöglicht. Damit auch das magnetische Gleichfeld eine induktive Erwärmung ermöglicht, wird der Aluminiumbolzen in dem Gleichfeld rotiert und dazu von einem elektrischen Motor angetrieben. Als Wärmeverluste treten bei diesem Konzept nur noch die Verluste des Antriebsmotors und der Kühlaufwand für den supraleitenden Magneten auf, die zusammen bei weniger als 10% des Gesamtenergieaufwandes liegen. Damit wird ein Gesamtwirkungsgrad von über 90% erreicht.

Das magnetische Gleichfeld wird über zwei parallel angeordnete supraleitende Spulen erzeugt. Dabei kommen moderne Hochtemperatur-Supraleiter des Materials MgBzum Einsatz. Bei 39 K erfolgt der Übergang in den supraleitenden Zustand. Eine Kompressionskältemaschine sorgt für die Abkühlung einer Kupferplattform auf die Solltemperatur von 20 K. Diese Plattform ist über Kupferverbindungen elektrisch isoliert mit den Spulen verbunden. Die Kühlung erfolgt hierbei durch Wärmeleitung.

Die Rotation des Bolzens im magnetischen Gleichfeld führt zur Induktion von elektrischen Wirbelströmen im Bolzen. Bedingt durch den elektrischen Widerstand des Aluminiums verursachen die Wirbelströme die Erwärmung des Materials. Die axiale Verteilung der Temperatur im Bolzen ist abhängig von der geometrischen Ausformung des magnetischen Feldes und lässt sich somit nur über die Änderung der Spulengeometrie oder dem Abstand der Spulen zum Werkstück ändern. Die radiale Verteilung der Temperatur ist direkt abhängig von der Ausprägung des Skineffektes und somit von der Rotationsgeschwindigkeit des Bolzens. Sowohl die axiale als auch die radiale Verteilung lassen sich über eine Änderung der Erwärmungszeit zusätzlich beeinflussen.

Mittels numerischer Simulation ist es möglich, den Erwärmungsprozess vorab zu betrachten und mögliche Unstimmigkeiten im Design der Anlage zu korrigieren. In Kooperation mit der Elektrotechnischen Universität in St. Petersburg wurde am ETP ein FEM-Modell des Erwärmers für diese Aufgabe entwickelt.  Sowohl die räumliche und zeitliche Verteilung des magnetischen als auch des Temperaturfeldes im Bolzen lassen sich anhand eines computergestützten Modelles wesentlich unkomplizierter und schneller analysieren. Computergestützte Modelle bieten zudem die Möglichkeit, das virtuelle Werkstück „aufzuschneiden“  und die Prozessgrößen wie Temperatur oder Magnetfeld im Inneren des Werkstücks zu betrachten. Das ist in einer realen Anordnung nicht immer möglich und zudem oft mit unnötigen Kosten verbunden. Die Wirkung der Prozessparameter kann so bereits im Vorfeld einem ersten Optimierungsprozess unterworfen werden.

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