Umsetzung einer hocheffizienten Wärmebehandlungslinie

Die Schwäbische Härtetechnik Ulm GmbH & Co. KG (SHU) ist Deutschlands größte Lohnhärterei an einem Standort. Sie ist auf die Wärme- und Oberflächenbehandlung von Werkstücken spezialisiert. Ihren Kunden bietet SHU unterschiedlichste Verfahren und eine große Bandbreite an Anlagen. Neben der klassischen Wärmebehandlung umfasst das Portfolio auch flankierende Dienstleistungen, wie Phosphatieren, Brünieren oder Gleitschleifen.

Durch die Wärmebehandlung wird das Werkstoffgefüge von metallischen Werkstoffen verändert, wodurch sich die Eigenschaften des Werkstücks, wie Härte, Festigkeit, Bearbeitbarkeit und Haltbarkeit, verbessern lassen. Da die Wärmebehandlung ein energieintensiver Prozess ist, ist die SHU seit der Firmengründung darauf bedacht, ihren hohen Energiebedarf möglichst gering zu halten und optimal zu gestalten.

Um Kapazitätsengpässen vorbeugend entgegenzuwirken, wurde der Bau einer neuen Niederdruck-Nitrierkammerofenlinie (NDN) beschlossen, die im Vergleich zum Stand der Technik eine deutliche Reduzierung der Prozesszeiten sowie der Energie- und Medienverbräuche vorweisen kann.

Das Nitrieren weist einige Besonderheiten auf. So erfolgt es – im Vergleich zu anderen Wärmebehandlungsverfahren – bei relativ niedrigen Temperaturen, typischerweise bei 500 bis 580 °C. Das Maßverhalten ist bei dieser Art der Wärmebehandlung (WBH) sehr stabil. Es ist also bei dem Verfahren mit einem sehr niedrigen Maßverzug zu rechnen. Somit werden die Bauteile vor der Wärmebehandlung bei der Weichbearbeitung bereits auf Fertigmaß bearbeitet und ein nachträgliches Endbearbeiten wird eingespart.

Durch die Stickstoffdiffusion bildet sich eine Nitrierschicht. Die genannte Verbindungsschicht kann bei Nitrierstählen eine Härte größer 1200 HV nach dem Härtegrad von Vickers aufweisen. Somit liegt die Härte deutlich über der Härte, die bei anderen WBH-Verfahren, wie Einsatzhärten, Vergüten, oder Induktivhärten, erzielt wird.

Die neue Wärmebehandlungsanlage sollte im Verhältnis zu einer vergleichbaren Nitrieranlage der SHU aus dem Jahr 2001, die zum Zeitpunkt der Planung noch Stand der Technik war, mindestens 15 % des Energieverbrauchs einsparen.

Dem Anlagenlieferanten sollten zur Konzeption der Anlage seitens der SHU einige Rahmenbedingungen, Maßnahmen und Modifikationen vorgegeben werden. Alle Maßnahmen hatten das Ziel, die Energieeffizienz der Anlage um die angestrebten 15 % zu erhöhen. Dadurch sollte eine energieeffizientere Version der Standardanlage des Lieferanten geschaffen werden.

Bereits in der ersten Projektbesprechung wurde das gefasste Ziel der Energieeinsparung von 15 % an den Lieferanten herangetragen. So wurde schon bei der Auftragsvergabe aktiv auf die Energieeffizienz der Anlage geachtet. Im Pflichtenheft wurde der Lieferant außer - dem dazu verpflichtet, jedes energierelevante Bauteil mit der SHU abzusprechen und energetisch zu bewerten.

Als Ergebnis dieser Zusammenarbeit wurde an den Öfen und der Waschmaschine eine Reihe von Maßnahmen umgesetzt. So wird das Nitrierverfahren im Niederdruck durchgeführt, um die Prozesszeiten sowie die Energie- und Prozessgasverbräuche zu reduzieren. Zur Verminderung von Wärmeverlusten wurde die Dicke der Ofenisolierung erhöht. Ebenso wurden alle elektrischen Antriebe mit Hocheffizienzmotoren der höchsten Energieklasse ausgestattet und durch ein effizientes Kühlsystem konnten die Kühlzeiten ohne Wärmestreuung reduziert werden. Alle Energie- und Medienverbräuche werden automatisiert überwacht und dokumentiert. Darüber hinaus kann über eine spezielle Messsensorik der Prozess flexibel reguliert werden, um Medienverbräuche und Prozesszeiten zu reduzieren. Außerdem wurde ein Methanolspalter mit einer geringeren Betriebstemperatur als herkömmliche Spalter eingebunden.

An der Waschmaschine wurde eine Wärmeisolierung aller Tanks, Behälter und Rohrleitungen vorgenommen. Die Energie des erzeugten Lösemitteldampfes wird nun zur Beheizung aller weiteren Tanks und der Destillation verwendet. Weiterhin soll das beim Lösemitteldampf entstandene Kondensat zur Regeneration des Lösemitteltanks eingesetzt werden. Auch an der Waschmaschine wurden nur Motoren mit der höchsten Energieeffizienzklasse verbaut. Schließlich wurde eine kleine Vakuumpumpe zur Regelung des Systemvakuums installiert, so dass die große Vakuumpumpe nur bei Bedarf zugeschaltet wird.

Während der gesamten Projektphase bis zur Evaluation wurde größter Wert auf die Einhaltung aller Anforderungen seitens des Lieferanten gelegt. Im Rahmen einer Diplomarbeit wurde zudem die Energieeffizienz der neuen Anlage überprüft, berechnet und bewertet.

Durch die Umsetzung der Maßnahmen und der daraus resultierenden, konsequent energieeffizienten Ausführung der Anlage konnte die tatsächliche Einsparung von den angestrebten 15 % sogar auf 20 % gesteigert werden. Absolut werden damit pro Jahr über 700.000 kWh elektrischer Energie im Vergleich zu der bestehenden Nitrierlinie der SHU eingespart. Der verminderte Stromverbrauch führt somit zu einer Reduktion der CO2- Emissionen um knapp 342 t pro Jahr.

Die Zusammenarbeit mit dem Anlagenbauer hatte für beide Seiten Vorteile. Die SHU konnte die angestrebte Energieeinsparung erzielen und der Lieferant plant die Maßnahmen in Serie zu übernehmen. Durch die Impulse der SHU gelang es dem Lieferanten, seine Anlage um 20 % effizienter zu gestalten und so auf ein technisch höheres Niveau zu heben. Das Beispiel zeigt, dass mit einfachen Mitteln und schrittweisen Verbesserungen eine enorme Steigerung der Energieeffizienz erreicht werden kann.

Die Erfahrungen, die bei der Planung, beim Bau und der Fertigstellung der NDN-Linie gewonnen wurden, fließen heute bei jedem neuen Projekt von Anfang an in die Projektplanung ein. Durch den erfolgreichen Abschluss des Projekts konnten alle beteiligten Parteien Erfahrungen sammeln, die den Ablauf von weiteren Projekten deutlich vereinfachen und erleichtern werden. Die SHU legt großen Wert auf langjährige Geschäftsbeziehungen, um gewonnenes Know-how effizient zu teilen und weiterentwickeln zu können.

Die Schwäbische Härtetechnik Ulm GmbH & Co. KG begann 1979 am Standort Ulm-Donautal als Ein-Mann-Betrieb und ist heute über die Grenzen Deutschlands hinweg aktiv. Mit heute rund 500 Mitarbeiterinnen und Mitarbeitern repräsentiert die SHU geballte Kraft, höchste Qualität und hervorragenden Service aus einer Hand. Mit über 100 Anlagen für Wärme- und Oberflächenbehandlungen kann die SHU jederzeit einen reibungslosen Produktionsablauf garantieren und setzt mit ihrem Produktportfolio Maßstäbe. Modernste Technologie, gewissenhaftes Qualitätsmanagement und nicht zuletzt die ambitionierten Mitarbeiter und Partner unterstützen das Unternehmen dabei, diese Maßstäbe tagtäglich zu erfüllen. Zum Kundenkreis zählen u. a. namhafte Unternehmen aus den Bereichen Automobil, Autositze, Baumaschinen, Fahrgastrückhaltesysteme, Maschinenbau, Wälz- und Kugellager sowie Verbindungselemente.