Metallherstellung

Sowohl bei der Erzeugung metallischer Rohstoffe als auch bei der Weiterverarbeitung von metallischen Halbzeugen spielen thermische Prozesse eine wesentliche Rolle. Metalle wie Stahl, Aluminium oder Kupfer durchlaufen zahlreiche Erwärmungsprozesse, bevor das fertige Bauteil hergestellt ist. Schon bei der Aufbereitung der Erze müssen Sinter- und Reduktionsprozesse bei hohen Temperaturen vorgenommen werden, um die Rohmetalle zu gewinnen. Im schmelzflüssigen Zustand werden Raffinations- und Legierungsprozesse benötigt, bevor die Gießformgebung erfolgen kann. Im festen Zustand erfolgen dann weitere thermische Prozesse wie Glühen, Anlassen und Härten. Metalleigenschaften wie Elastizitätsmodul, Härte, Bruchdehnung oder Festigkeit hängen wesentlich von diesen thermischen Prozessen ab. Neben der Temperaturführung sind auch die Ofenatmosphären sowie Wechselwirkungen mit Feuerfestmaterialien erfolgsbestimmend. Auch die Herstellkosten und die CO₂-Bilanz werden durch die thermischen Prozesse geprägt.

Das Fraunhofer-Zentrum HTL trägt mit unterschiedlichen Verfahren zur zielgerichteten Verbesserung von Metallherstellungsprozessen bei:

• Die Hochtemperatureigenschaften der Metalle und der beteiligten Feuerfestwerkstoffe werden mit speziell am HTL entwickelten ThermoOptischen Messanlagen (TOM) bestimmt. Mit den TOM-Anlagen können z.B. die Wärmeleitfähigkeit, die Emissivität, das Kriechverhalten oder das elastische Verhalten in kontrollierter Atmosphäre bei den für die Metallherstellung relevanten Temperaturen gemessen werden. Auch für die Viskositätsmessung an Schmelzen wurden spezielle Messverfahren entwickelt. Die Benetzungseigenschaften von Metallschmelzen gegenüber Feuerfestmaterialien werden am HTL direkt bei hohen Temperaturen gemessen. Ebenso kann die Korrosion oder Erosion von Metallen in Gasen, Dämpfen und Partikelströmen bei hohen Temperaturen untersucht werden. Veränderungen der Metalle während der Wärmebehandlung können in den TOM-Anlagen teilweise in situ gemessen werden. So werden Dimensionsänderungen, z.B. beim Anlassen, mit sehr hoher Genauigkeit und Reproduzierbarkeit mittels optischer Dilatometrie in zwei Raumrichtungen bestimmt. Änderungen in den viskoelastischen Eigenschaften während der Wärmebehandlung werden durch Eigenschwingungsanalysen sowie dynamisch-mechanische Analysen in situ gemessen.
• Die Hochtemperatur-Messdaten werden zur Computer-Simulation der Wärmebehandlungsprozesse bei der Metallherstellung verwendet. Dazu stehen am HTL kommerzielle Finite-Elemente (FE)-Programme zur Verfügung. Das HTL hat FE-Modelle auf unterschiedlichen Größenskalen entwickelt, um das Wärmemanagement in Industrieöfen zu gestalten. So können Wärmeverteilungen im Inneren von Bauteilen ebenso berechnet werden wie im Stapel oder im Nutzvolumen des Ofens. Auch die thermomechanischen Belastungen, die durch die Temperaturänderungen an den Metallbauteilen und den Feuerfestmaterialien entstehen, werden am HTL mit gekoppelten thermisch-mechanischen FE-Modellen berechnet. Anhand der FE-Simulationen werden Prozessparameter bei der Wärmebehandlung optimiert und auf die Industrieöfen übertragen.
• Das HTL hat einen mobilen Ofenmessstand entwickelt, mit dem Industrieöfen zur Metallherstellung vor Ort ausgemessen werden können. Der Ofenmessstand ermöglicht die quantitative Bestimmung von Wärmeflüssen an der Ofenaußenhülle und die Ausmessung von Temperaturfeldern im Ofeninneren. Er liefert Analysen der Gasströmung und der Gaszusammensetzung im Ofen bzw. im Ofenabgas. Kühlwasserbedarf und elektrische Leistung können unterbrechungsfrei gemessen werden. Das HTL entwickelt auch spezielle Hochtemperatur-Sensoren, die in Industrieöfen eingesetzt werden.
• Das HTL entwickelt thermoschockbeständige Hilfsmittel für die Wärmebehandlung von Metallen. Dazu werden insbesondere faserverstärkte Keramiken (CMC) genutzt. Die CMC können – je nach Einsatz – aus Oxid- oder Nichtoxidkeramiken bestehen. Die Faserverstärkung ermöglicht eine hohe Schadenstoleranz sowie eine hohe Thermoschock- und Temperaturwechselbeständigkeit. CMC Werkstoffe können z.B. in Chargiergestellen genutzt werden, die - mit Metallbauteilen beladen - in Härtungsprozessen extrem rasch abgekühlt werden müssen. Auch als Hilfsmittel beim Metallguss erfüllen CMC vielfältige Aufgaben – z.B. als Gussformen, Schutzrohre oder Gießrinnen.