Effizienzsteigerung eines Aluminiumschmelzofens

Aluminiumschmelzöfen haben einen sehr hohen Energieverbrauch. Das Öffnen der Ofentüren für die vom Bediener durchzuführende visuelle Überwachung des Schmelzpreozesses vergrößert den Energiebedarf und gefährdet die Arbeitssicherheit. Zur Steigerung der Energieeffizienz des Ofens wurde eine Optisches Maßsystem entwickelt, dass sowohl den Schmelzprozess als auch den Zustand des Schmelzbads überwacht. Gleichzeitige konnte dadurch der Automatisierungsgrad gesteigert und die Arbeitssicherheit verbessert werden.

Prozessoptimierung, Energieeffizienz, optische Prozessüberwachung

Immer strengere Anforderungen an die Qualität des Endprodukts und den Energieverbrauch stellen die Industrie, insbesondere die Automobilindustrie, vor schwierige Herausforderungen. Der Markt verlangt hochwertige Komponenten zu angemessenen Kosten.

Moderne Technologien und innovative Methoden helfen, dieser Herausforderung gerecht zu werden. Die Prozessüberwachung ist zu einer Schlüsseltechnologie geworden und ermöglicht die Verbesserung von Sicherheit, Qualität und Effizienz in verschiedenen Bereichen. Bis vor kurzem stützte sich die Produktion - von der Konstruktion des Aluminiumschmelzofens bis zum täglichen Prozess - weitgehend auf traditionelle Methoden und Erfahrungen.

In dieser Dissertation wird erstmals eine neue Methode zur Überwachung eines Schmelzprozesses und von Formveränderungen im Ofen mittels optischer Sensoren untersucht. Dazu beschäftigt sich diese Arbeit mit einem innovativen Analyse-Algorithmus zur Verwendung eines optischen Messsystems, das in der Lage ist, den Schmelzblock trotz der glühenden Ofenwände zu überwachen.

Schmelzprozess, Analysealgorithmus, Lichtfeldkamera, Prozessüberwachung

In einem Aluminium (Al)-Schmelzofen sind der Füllstand des Schmelzbades und die Oxidschichtmenge mit Kontaktsensoren nicht überwachbar, da das Schmelzbad aufgrund der hohen Haltebereich-Temperaturen von über 600°C nicht zugänglich ist. Deshalb wird ein Online-Überwachungssystem des Aluminium-Schmelzbades mithilfe optischer Sensoren erforscht. Dafür wird das Schmelzbad mit geeigneten optischen Messsystemen identifiziert. Schließlich werden durch Bildanalyse-Algorithmen die Höhenänderung der Schmelze herausgearbeitet. Zudem werden Oxidschichten im Ofen auf der Badoberfläche mithilfe der Algorithmen detektiert.

Aluminium-Schmelzofen, Schmelzbadüberwachung, Oxidschicht

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