Effizienzsteigerung eines Aluminiumschmelzofens

Thema
Industrie 4.0
Projekttitel Effizienzsteigerung eines Aluminiumschmelzofens (ALSO 4.0)
Laufzeit 01.06.2017 – 30.11.2019
Pressemitteilung

Um den Zustand eines Aluminiumschmelzofens automatisiert zu bestimmen, entwickelt das IPH ein 3D-Kamera-System. Derzeit wird die Menge des aufgeschmolzenen Aluminiums manuell bestimmt. Bei jedem Kontrollblick wird die Ofentür geöffnet – dabei geht sehr viel Wärme verloren und es wird zusätzlich Sauerstoff eingetragen. Da der Schmelzpunkt von Aluminium bei etwa 660 °C liegt, herrschen im Schmelzofen Temperaturen zwischen 700 und 1000 °C.

Ziel des Forschungsprojekts ist es, den Zustand des Ofeninnenraums zu überprüfen, ohne die Ofentür zu öffnen. Dadurch lässt sich der Energieverlust signifikant senken. Dies trägt dazu bei, die Energieeffizienz der Aluminiumguss-Branche insgesamt zu erhöhen. Das Kamerasystem muss dabei von den extremen Temperaturen im Inneren des Ofens abgeschirmt werden.

Veröffentlichungen zum Projekt

Ständig steigende Qualitätsanforderungen und immer strengere Auflagen stellen die Gießerei vor große Herausforderungen: Sie müssen die vom Markt geforderten hochwertigen Komponenten zu vertretbaren Kosten herstellen. Moderne Technologien und innovative Methoden helfen, diese Herausforderung zu meistern. Bis vor Kurzem stützte sich die Produktion, vom Entwurf des Aluminiumschmelzofens bis zum täglichen Prozess, weitgehend auf traditionelle Methoden und Erfahrungen. Wichtige Daten und Informationen über den Schmelzprozess – zum Beispiel die Temperaturen und die Form des Aluminiumblocks im Ofen – können jedoch mit herkömmlichen experimentellen Methoden kaum erreicht werden, da die Temperaturen 700 ° C überschreiten. Das Forschungsprojekt untersucht daher erstmals die Methode zur Überwachung eines Schmelzprozesses mittels optischer Sensoren. Der Zweck dieser Arbeit ist es, die Oberflächenform des Blocks während des Schmelzprozesses vorherzusagen, da es aufgrund des Wärme- und Energieverlustes während der Messung nicht möglich ist, eine konstante Überwachung aufrechtzuerhalten. Um die notwendigen Daten zu generieren, wird eine 3D-Lichtfeldkamera auf einem Aluminiumschmelzofen installiert, um den Prozess zu überwachen. Der Grundgedanke ist, eine allgemeine Methode zur Kurvenmodellierung aus Streustrahlendaten auf der Aluminiumoberfläche im 3D-Raum zu finden. Anhand der (x, y, z)-Daten der 3D-Kamera wird die Aluminiumoberfläche als Polynomfunktion modelliert. Dabei wird der Koeffizient mit verschiedenen Interpolations- und Approximationsmethoden abgeleitet. Um das optimale Polynomfunktionsmodell zu finden, beschreibt die Aluminiumoberfläche während des Schmelzprozesses durch Interpolation oder Approximation, wobei die beste Methode zur Kurvenanpassung erweitert und implementiert wird für die Oberflächenmodellierung. 

Schmelzprozess, Lichtfeld

Der Schmelzprozess in einem Aluminiumschmelzofen kann nicht durch Kontaktsensoren überwacht werden, da der Ofen aufgrund der hohen Temperaturen (mehr als 700 ° C) nicht zugänglich ist. Im hier vorgestellten Forschungsprojekt wird daher erstmals die Überwachung des Schmelzprozesses mittels optischer Sensoren untersucht. Dieser Artikel befasst sich mit einem innovativen optischen Messsystem, das in der Lage ist, die Schmelzbrücke trotz der glühenden Ofenwände zu überwachen. Zu diesem Zweck wird eine Lichtfeldkamera auf einem Aluminiumschmelzofen installiert, um den Prozess zu überwachen und mit einem drehbaren Brenner gezielt Wärme in den Schmelzofen zu leiten. Die verwendete Lichtfeldkamera kann eine 3D-Punktwolke mit nur einem Bild erfassen. Um dies zu erreichen, wird ein separates Linsenfeld zwischen dem Bildsensor und der Hauptlinse angeordnet, um ein virtuelles Zwischenbild auf den eigentlichen Bildsensor zur weiteren Datenverarbeitung zu projizieren. Darüber hinaus dient ein selbst entwickeltes Bildanalyseprogramm zur Überwachung der Höhenvariation des Aluminiumblocks und etwaiger Schmelzreste auf der Schmelzbrücke des Ofens.

So konnte die Energieeffizienz des Aluminiumschmelzprozesses um 15% gesteigert und die Schmelzzeit durch Online-Überwachung um fast 20 Minuten reduziert werden.

Lichtfeldkamera, Prozessüberwachung, Bildverarbeitung, Schmelzprozess, Energieeffizienz

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Das Projekt mit dem Förderkennzeichen 03ET1486E wird mit Mitteln des Bundesministeriums für Wirtschaft und Energie (BMWi) im Rahmen des 6. Energieforschungsprogramms der Bundesregierung gefördert und vom Projektträger Jülich (PTJ) betreut.

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Dr.-Ing.

Jan Langner

Abteilungsleiter Prozesstechnik