Thermoelement für geschmolzenes Aluminium

Die wirksamste Thermoelement aus geschmolzenem Aluminium verwendet ein hochreines Sialon (Siliziumnitrid)-Schutzrohr in Kombination mit einem Typ K- oder N-Sensor, um präzise Temperaturmessungen zu liefern und gleichzeitig den extrem korrosiven Eigenschaften von flüssigem Aluminium zu widerstehen. Gießereien, die von Gusseisen- oder Standard-Keramikröhrchen auf Sialon-basierte Baugruppen umsteigen, berichten in der Regel von einer um 6 bis 12 Monate längeren Lebensdauer und einer geringeren Verschmutzung der Schmelze. Für Betreiber, die eine sofortige Betriebsstabilität anstreben, liegt die Lösung in der Minimierung der “Benetzungsfähigkeit” des Aluminiums gegen das Sensorgehäuse, eine Eigenschaft, bei der sich die fortschrittliche Materialwissenschaft von ADtech auszeichnet.

Die Physik der Temperaturmessung in flüssigem Aluminium

Bei der präzisen Pyrometrie im Nichteisenmetallguss geht es nicht nur darum, eine Zahl abzulesen. Sie bestimmt die Kornstruktur, die mechanischen Eigenschaften und die Ausschussraten des Endprodukts. Flüssiges Aluminium ist äußerst aggressiv. Es löst die meisten Metalle auf und zersetzt viele Keramiken durch chemischen Angriff und mechanische Erosion.

Wenn ein Thermoelement in die Schmelze eintritt, ist es einem dreifachen Angriff ausgesetzt: einem thermischen Schock durch den schnellen Temperaturanstieg, chemischer Korrosion durch die Reaktion des Aluminiums mit dem Rohrmaterial und mechanischer Beanspruchung durch Krätze oder Flüssigkeitsbewegung. Ein Standardrohr aus Edelstahl oder Gusseisen löst sich auf und verunreinigt die Legierung mit Eisen. Dies macht die Auswahl des Schutzrohrs zum kritischsten Einzelfaktor bei der Sensoranordnung.

Thermischer Schock und Materialintegrität

Keramiken sind von Natur aus spröde. Wenn ein Kaltschutzrohr auf geschmolzenes Metall mit 700°C (1292°F) oder mehr trifft, dehnt sich das Äußere schneller aus als das Innere. Diese Spannung verursacht Risse in Standard-Aluminiumoxid- oder Siliziumkarbidrohren.

Moderne Materialien wie Sialon (eine Legierung aus Siliziumnitrid und Aluminiumoxid) haben einen niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten. Dank dieser physikalischen Eigenschaft kann die Thermoelementbaugruppe wiederholten Tauchzyklen ohne Vorwärmung standhalten, was für vielbeschäftigte Gießereien einen erheblichen Betriebsvorteil darstellt.

Entwicklung der Thermoelement-Schutzrohre

In der Vergangenheit waren die Gießereien auf Rohre aus Gusseisen angewiesen. Diese waren zwar billig, aber schwer und mussten täglich mit Waschmittel beschichtet werden, um die Aufnahme von Eisen zu verhindern. Heute hat sich die Industrie auf Hochleistungskeramik verlagert.

Gusseisen vs. Siliziumnitrid (Si3N4)

Der Übergang von Gusseisen zu Siliziumnitrid bedeutet einen Effizienzsprung. Gusseisen wirkt als Wärmesenke und verursacht eine langsame Reaktionszeit. Außerdem wird Eisen in die Schmelze eingebracht, was die Duktilität des Aluminiumteils beeinträchtigt.

Siliziumnitrid, insbesondere die unter Gasdruck gesinterten oder reaktionsgebundenen Varianten, bietet eine hohe Wärmeleitfähigkeit und keine Verunreinigungen. Das Material ist nicht benetzend. Aluminium perlt von ihm ab wie Wasser von einem Entenrücken. Diese nicht benetzende Eigenschaft verhindert Schlackenbildung (Korundwachstum) auf dem Rohr und stellt sicher, dass der Sensor die Metalltemperatur und nicht die Temperatur einer isolierenden Krätzeschicht misst.

Tabelle 1: Vergleichende Analyse der Schutzrohrmaterialien

ADtech Fallstudie: Effizienzsteigerung in einer Gießerei in Michigan (2023)

Standort: Grand Rapids, Michigan, USA
Datum: 15. März 2023 - 15. September 2023
Kundenprofil: Tier-1 Automotive Druckgießer

Die Herausforderung:
Die Anlage betrieb sechs Warmhalteöfen, die Aluminium für Motorblöcke lieferten. Sie verwendeten Standard-Siliziumkarbid (SiC)-Schutzrohre. Die Betreiber hatten mit zwei Problemen zu kämpfen. Erstens brachen die SiC-Rohre häufig beim Abschöpfen der Krätze. Zweitens verursachte die Temperaturdrift eine Ausschussrate von 4% aufgrund von Porositätsproblemen in Verbindung mit Überhitzung.

Die Lösung:
ADtech führte ein umfassendes Aufrüstungsprogramm durch. Wir ersetzten die SiC-Baugruppen durch ADtech Sialon-Thermoelement-Schutzrohre, die mit hochpräzisen Typ-K-Sensoren ausgestattet sind.

Operative Ergebnisse:
Während des sechsmonatigen Überwachungszeitraums zeigten die Daten eindeutige Verbesserungen:

1. Null Bruch: Der hohe Bruchmodul der Sialon-Schläuche hielt der täglichen mechanischen Reinigung stand.

2. Reduzierung von Schrott: Durch eine präzise thermische Kontrolle konnte die Ausschussrate von 4% auf 0,8% gesenkt werden.

3. Kosteneinsparungen: Zwar waren die anfänglichen Stückkosten höher, aber durch den Wegfall der wöchentlichen Auswechslungen und die Verringerung des Ausschusses ergab sich eine Nettoeinsparung von $42.000 pro Ofen und Jahr.

Dieser Fall bestätigt, dass hochwertige Verbrauchsmaterialien nicht als Ausgaben, sondern als Investitionen in die Prozessstabilität dienen.

Kritische Auswahlkriterien für Sensoren für geschmolzenes Metall

Zur Auswahl des richtigen Sensors gehört mehr als nur die Wahl einer Katalognummer. Die Ingenieure müssen die spezifische Umgebung des Ofens bewerten.

1. Der L-Typ im Vergleich zum geraden Typ

Für Tauchanwendungen oder tragbare Messungen ist ein gerades Thermoelement gut geeignet. In Warmhalte- oder Dosieröfen ist jedoch eine L-förmige Anordnung besser geeignet. Der “heiße Schenkel” reicht in die Schmelze hinein, während der “kalte Schenkel” den Anschlusskopf von direkter Strahlungswärme und potenziellen Spritzern fernhält. Diese Konfiguration schützt die elektrischen Anschlüsse und verlängert die Lebensdauer der Ausgleichsleitungen.

2. Sensor-Typ: K, N, S, oder R?

• Typ K (Chromel-Alumel): Der Industriestandard. Er bewältigt Temperaturen bis zu 1260°C. Er ist kostengünstig und genau genug für den allgemeinen Guss.

• Typ N (Nicrosil-Nisil): Bietet bei höheren Temperaturen eine bessere Stabilität als Typ K, ist aber aufgrund der ausreichenden Eigenschaften von Typ K in Aluminium weniger verbreitet.

• Typ S/R (Platin-Rhodium): Äußerst genau, aber teuer und zerbrechlich. Wird nur selten für Aluminium verwendet, es sei denn, dies ist für die Zertifizierung von Luft- und Raumfahrtlegierungen unbedingt erforderlich.

Tabelle 2: Thermoelementtyp Eignung für Aluminium

Installations- und Wartungsprotokolle

Selbst das robuste Sialon-Rohr erfordert eine korrekte Handhabung, um die Leistung zu maximieren. Unsachgemäßer Einbau ist nach wie vor die Hauptursache für vorzeitigen Ausfall.

Überprüfungen vor der Installation

Überprüfen Sie vor dem Einsetzen der Baugruppe die Kontinuität des Stromkreises. Prüfen Sie den Widerstand des Sensorelements. Stellen Sie sicher, dass das Keramikrohr keine Haarrisse vom Transport aufweist. Obwohl Sialon robust ist, handelt es sich um eine Keramik.

Eintauchtiefe

Die Spitze des Thermoelements muss sich im Fluss des geschmolzenen Metalls befinden, jedoch nicht in der Nähe der Brennerflamme und der Wand. Wird es zu nahe am Brenner positioniert, führt dies zu falsch hohen Messwerten. Wird es in der Nähe der Wand platziert, führt dies zu falschen niedrigen Messwerten. Die ideale Tiefe beträgt mindestens das 6- bis 8-fache des Durchmessers des Schutzrohrs, um Wärmeleitungsfehler zu vermeiden (Stabeffekt).

Zeitplan für die Reinigung

Aluminiumkrätze und Oxidhäute schwimmen auf der Oberfläche. Wenn sich der Füllstand ändert, kann dieser Schlamm an der Röhre haften.

1. Täglich: Unterziehen Sie das Rohr einer Sichtprüfung.

2. Wöchentlich: Wischen Sie die Röhre vorsichtig ab, um jegliche Oxidablagerungen zu entfernen. Da ADtech-Röhren nicht nass sind, sollte sich das Aluminium leicht ablösen lassen. Schlagen Sie nicht mit einem schweren Stahlschöpfer auf die Röhre.

Die Rolle des isostatischen Pressens für die Langlebigkeit von Tuben

Das Herstellungsverfahren des Schutzrohrs bestimmt seine Dichte und Erosionsbeständigkeit. ADtech verwendet das kaltisostatische Pressen (CIP), gefolgt von Hochtemperatursintern.

CIP gewährleistet eine gleichmäßige Dichte im gesamten Keramikkörper. Im Gegensatz zum Schlickerguss, bei dem Hohlräume oder Dichtegradienten entstehen können, wird das Pulver beim CIP von allen Seiten gleichmäßig unter Druck gesetzt. Das Ergebnis ist ein Material mit überlegener mechanischer Festigkeit und Temperaturwechselbeständigkeit. Wenn Sie ein Thermoelement kaufen, sollten Sie unbedingt nach dem Herstellungsverfahren des Schutzrohrs fragen. Gesintertes Siliciumnitrid, das im CIP-Verfahren hergestellt wird, übertrifft reaktionsgebundene Varianten in aggressiven Legierungen.

Fehlersuche bei häufigen Temperaturabweichungen

Wenn Temperaturmesswerte abdriften oder ausfallen, wird oft sofort dem Regler die Schuld gegeben. In der Regel liegt das Problem jedoch bei der Sensoreinheit.

Tabelle 3: Diagnosematrix für den Ausfall von Thermoelementen

Wirtschaftliche Auswirkungen der präzisen Pyrometrie

Die Temperatur ist die Variable, die die Viskosität, die Wasserstofflöslichkeit und die Oxidbildung steuert.

Wasserstofflöslichkeit

Flüssiges Aluminium absorbiert Wasserstoff aus der Atmosphäre. Die Löslichkeitsrate verdoppelt sich mit jeder Temperaturerhöhung um 100°C. Wenn das Thermoelement 720°C anzeigt, die Schmelze aber tatsächlich 750°C hat, nimmt das Metall wesentlich mehr Wasserstoff auf. Dieses Gas schlägt sich beim Erstarren als Porosität nieder und führt zu Ausschuss.

Oxid-Bildung

Höhere Temperaturen beschleunigen die Oxidation. Dies führt zu mehr Krätze (Schmelzverlust). Eine Gießerei, die aufgrund eines Fühlerfehlers 20 °C heißer als nötig läuft, verbrennt in zweierlei Hinsicht Geld: übermäßiger Brennstoffverbrauch und erhöhter Metallverlust durch Krätze.

Die hochpräzisen Thermoelemente von ADtech helfen Gießereien dabei, enge Toleranzen einzuhalten, in der Regel innerhalb von +/- 3°C. Diese Präzision ermöglicht es den Betreibern, den Ofen mit der niedrigstmöglichen Temperatur für den Prozess zu betreiben, was Energie spart und die Metallqualität verbessert.

Zukünftige Trends in der Aluminium-Temperatursensorik

Die Industrie ist auf dem Weg zur Digitalisierung und Automatisierung. Intelligente Sensoren mit integrierten Transmittern werden zum Standard. Diese Geräte wandeln das Millivolt-Signal direkt am Kopf in ein 4-20-mA- oder digitales Signal um und reduzieren so Störgeräusche.

Darüber hinaus integrieren kontinuierliche Überwachungssysteme jetzt Thermoelementdaten mit Ofendruck- und Brennstoffflussdaten. Diese ganzheitliche Sichtweise ermöglicht eine vorausschauende Wartung. Eine ungewöhnliche Spitze in der Temperaturreaktionszeit kann eine Warnung auslösen, dass das Schutzrohr gereinigt werden muss, bevor der Messwert ungenau wird.

ADtech steht an der Spitze dieser Entwicklung und entwickelt Schutzrohre mit eingebetteten Verschleißsensoren, die den Bediener warnen, wenn die Wandstärke eine kritische Grenze erreicht.

Sialon vs. Titanat: Identifizierung der besten Keramik

Neben Sialon wird in der Industrie auch Aluminiumtitanat verwendet. Titanat hat eine ausgezeichnete Temperaturwechselbeständigkeit, aber eine geringere mechanische Festigkeit als Siliziumnitrid.

Für statische Anwendungen, bei denen keine physischen Stöße auftreten, ist Titanat akzeptabel. In aktiven Schmelzöfen oder Transferpfannen, in denen Metallbewegungen und mechanische Reinigung stattfinden, ist Sialon jedoch aufgrund seiner überlegenen Festigkeit die bessere Wahl. Es widersteht den Biegekräften, die durch den Fluss des schweren flüssigen Metalls ausgeübt werden.

Zusammenhang mit Gussqualität und Kornfeinung

Die Wirksamkeit von Kornfeinungsmitteln (Titan-Bor) hängt stark von der Temperatur ab. Werden Kornfeinungsmittel bei einer zu hohen Temperatur zugegeben, verringert sich ihre Wirksamkeit (“Fading”). Genaue Thermoelement-Rückmeldungen stellen sicher, dass die Additive im optimalen Temperaturfenster in die Schmelze gelangen.

Auch für Entgasungsprozesse sind bestimmte Temperaturbereiche erforderlich. Ist die Schmelze zu kalt, erzeugt der Entgasungsrotor übermäßige Turbulenzen, ohne den Wasserstoff effektiv zu entfernen. Ist er zu heiß, übersteigt die Wiederaufnahme von Wasserstoff die Entfernung. Das Thermoelement ist der Kompass, der diese metallurgischen Prozesse steuert.

Häufig gestellte Fragen (FAQs)

1. Wie hoch ist die maximale Temperatur für ADtech Sialon Schutzrohre?
Unsere Sialon-Rohre können Temperaturen von bis zu 1300 °C im Dauerbetrieb standhalten, was alle Aluminium- und Zinkgussanwendungen abdeckt.

2. Wie wähle ich die richtige Länge für das Thermoelement?
Messen Sie den Abstand zwischen dem Montageflansch und dem untersten Metallniveau. Die Spitze sollte immer mindestens 150 mm unter den niedrigsten Metallpegel getaucht werden, um konsistente Messwerte zu gewährleisten.

3. Kann ich diese Thermoelemente für Zinklegierungen verwenden?
Ja. Zink ist weniger aggressiv als Aluminium, so dass Sialon-Rohre in Zinkanwendungen noch länger halten, oft länger als 12 Monate.

4. Warum zeigt mein Thermoelement einen niedrigeren Wert an als meine Handlanze?
Dies ist häufig auf die “thermische Schichtung” im Ofen zurückzuführen. Das feste Thermoelement kann sich in einer kühleren Zone nahe dem Boden oder der Wand befinden. Oder das Schutzrohr ist mit Krätze überzogen, die als Isolierung wirkt.

5. Müssen Sialon-Rohre vorgewärmt werden?
Obwohl Sialon eine ausgezeichnete Temperaturwechselbeständigkeit aufweist, empfehlen wir das Vorwärmen, um sicherzustellen, dass keine Feuchtigkeit im Inneren des Rohrs eingeschlossen ist, die sich ausdehnen und Druckprobleme verursachen könnte.

6. Was ist die Ursache für den Bruch des Schutzrohrs?
Die häufigste Ursache ist ein mechanischer Schlag beim Abschöpfen der Krätze. Die zweithäufigste Ursache ist thermische Belastung, wenn das Rohr extrem dickwandig ist und sofort in das Metall mit der höchsten Temperatur eingetaucht wird (obwohl Sialon dies abschwächt).

7. Wie wirkt sich die Eigenschaft “Benetzung” auf die Genauigkeit aus?
Wenn Aluminium “nass” wird oder an der Röhre klebt, bildet sich eine Korundschicht. Diese Schicht ist ein Isolator. Der Sensor misst dann die Temperatur des Korunds und nicht die des flüssigen Metalls, was zu einer Verzögerung der Reaktion führt.

8. Was ist der Unterschied zwischen Sialon und Siliziumnitrid?
Sialon ist eine feste Lösung aus Siliziumnitrid und Aluminiumoxid. Es bietet ähnliche Eigenschaften, jedoch mit verbesserter chemischer Stabilität und leichterer Sinterbarkeit, was zu einem dichteren, härteren Produkt führt.

9. Kann ich ein beschädigtes Thermoelement reparieren?
Wenn das Schutzrohr gerissen ist, muss es sofort ersetzt werden, um das teure interne Sensorelement zu retten. Ist der Sensordraht gebrochen, kann das Element ersetzt werden, während das Schutzrohr wiederverwendet wird.

10. Wie stellt ADtech die Produktkonsistenz sicher?
Wir verwenden streng kontrollierte Pulverzusammensetzungen und automatisiertes isostatisches Pressen. Jede Charge wird vor dem Versand einem Dichtetest und einer Röntgenprüfung unterzogen, um sicherzustellen, dass keine inneren Hohlräume vorhanden sind.

Schlussfolgerung

Das Thermoelement für geschmolzenes Aluminium ist der Wächter der Gussqualität. Durch die Wahl der fortschrittlichen Sialon-Schutzrohre von ADtech eliminieren die Gießereien die Variablen der Eisenkontamination und der Temperaturdrift. Der Wechsel von traditionellen Materialien zu Hochleistungskeramik ist nicht nur eine technische Verbesserung, sondern auch eine finanzielle Strategie, die die Ausschussrate und den Energieverbrauch senkt. Für Gießereien, die sich auf einem wettbewerbsintensiven Markt behaupten wollen, ist die von diesen Geräten gebotene Präzision unverzichtbar.