Prozesstiefkühlung mittels Luft-Kältemaschine für Austenitumwandlung

Kurzbeschreibung

Die Rudolf Rieker GmbH ist ein mittelgroßes Unternehmen, das auf die Induktionshärtung von Stahlwerkstücken spezialisiert ist. Durch die Induktion wird das Werkstück erhitzt und dadurch eine austenitische Gitterstruktur gebildet. Nach der Erhitzung muss das Werkstück sehr schnell auf tiefe Temperatur (-85 Grad Celsius) abgekühlt werden, um das austenitische in ein martensitisches Gefüge umzuwandeln. Durch diese Behandlung stellt sich die gewünschte Härte des Stahls ein.

Die tiefe Temperatur wurde bisher mit Flüssigstickstoff erreicht, was das Standardverfahren in der Branche darstellt. Der Stickstoffbedarf belief sich auf etwa 650 Tonnen im Jahr, der sich aus dem eigentlichen Verbrauch in der Stahlhärtung und den schleichenden Verlusten durch die Bevorratung ergibt. Dieser recht hohe Aufwand der Kältebereitstellung und die damit verbundenen Kosten sollten durch die Umstellung auf einen Kaltluftprozess gemindert werden.

In Zusammenarbeit mit der Firma Refolution Industriekälte GmbH wurde eine Doppelkältekammer mit integrierter Kältemaschine beschafft, die das Kältemittel Luft (R-729) und damit ein in jeglicher Hinsicht unproblematisches Stoffgemisch nutzt. Mit dem Kaltluftprozess kann die für die Stahlhärtung benötigte Temperatur von -85 Grad Celsius problemlos und deutlich energieeffizienter erreicht werden als mit dem kryogenen Verfahren mit Flüssigstickstoff. Pro Werkstück konnte der Energiebedarf für den Abkühlungsprozess von 0,742 Kilowattstunden auf 0,397 Kilowattstunden reduziert werden, was einer relativen Minderung um 46,5 Prozent entspricht. Darüber hinaus kann durch ein Rekuperationsverfahren zusätzlich Energie gespart werden, indem die abgekühlte Luft aus der Kammer mit der bereits behandelten Werkstückcharge über ein Luftumwälzsystem in die Kammer mit der zu behandelnden Charge überführt wird. Hierdurch wurde der Energiebedarf im Messbetrieb um weitere 9,3 Prozent reduziert. Theoretisch ist sogar eine Reduktion um bis zu 20 Prozent möglich. Der Flüssigstickstoff konnte komplett durch das neue Verfahren ersetzt werden, was nicht nur den Energieaufwand für die Gewinnung des Stickstoffs durch Luftzerlegung einspart, sondern auch die Logistik und Vorhaltung vor Ort.

Im laufenden Betrieb hat sich die neue Anlage als sicher, zuverlässig und anwenderfreundlich erwiesen. Sie ist damit auch für andere Härtereibetriebe, die von der Flüssigstickstoff- auf die wesentlich energieeffizientere strombasierte Tiefkühlung mittels Kaltluftprozess umsteigen wollen, eine interessante Investition. Durch die erste erfolgreich Anwendung der Kaltluft-Kältetechnik in der Stahlhärtung wurde der Stand der Technik in dieser Branche unter erheblichen Energie- und Betriebskosteneinsparungen neu definiert.