Zuverlässige Temperaturüberwachung von Stahl-Billets mit Wärmebildkameras

Warum Einpunkt-Pyrometer bei der Temperaturmessung von Stahl-Billets an ihre Grenzen stoßen

Stahl-Billets sind gegossene Halbzeuge, die üblicherweise einen quadratischen Querschnitt mit Kantenlängen von etwa 130 bis 160 mm aufweisen. Vor der Warmumformung müssen sie gleichmäßig auf Temperaturen zwischen etwa 1.100 und 1.250 °C erwärmt werden. Die präzise Einhaltung der Prozesstemperatur ist dabei entscheidend. Zu hohe Temperaturen oder zu lange Haltezeiten können zu einer Vergröberung des Gefüges führen. Dies kann Versprödung oder sogar schwerwiegende Überhitzungsschäden bis hin zum Verbrennen des Werkstoffs verursachen. Überhitzte Stahl-Billets können beim Walzen oder Schmieden Risse bilden und dadurch Walzen oder Umformwerkzeuge beschädigen. Bei unzureichender Erwärmung steigt hingegen der Umformwiderstand. Dies kann Gefügefehler verursachen und den Verschleiß der Produktionsanlagen beschleunigen.

Die Erwärmung von Stahl-Billets ist mit verschiedenen messtechnischen Herausforderungen verbunden. Der im Ofen entstehende Zunder bildet eine Oxidschicht, die wie eine thermische Isolierung wirkt und Temperaturunterschiede an der Oberfläche verursacht. Herkömmliche Messverfahren wie Einpunkt-Infrarotpyrometer oder Kontaktthermoelemente liefern lediglich punktuelle Temperaturinformationen und können die gesamte Temperaturverteilung nicht erfassen.

Tatsächlich bestehen häufig erhebliche Temperaturgradienten zwischen der Oberfläche und dem Kern eines Stahl-Billets sowie zwischen dessen Mitte und den Ecken, insbesondere beim Austritt aus dem Ofen. Aufgrund ihres größeren Oberflächen-Volumen-Verhältnisses erwärmen sich die Ecken schneller und kühlen bei Kontakt mit der Umgebungsluft ebenso rasch wieder ab. Temperaturmessungen unmittelbar am Ofenausgang können daher durch diese sogenannten Hot-Corner-Effekte verfälscht werden. Eine Abkühlzeit von etwa 30 Sekunden ermöglicht zwar eine repräsentativere Beurteilung der durchschnittlichen Temperatur, für rechtzeitige Anpassungen des Erwärmungsprozesses ist es dann jedoch häufig bereits zu spät.

In flammenbeheizten Öfen erschweren kältere Zunderbereiche die Temperaturmessung zusätzlich. Werden nur einzelne Messpunkte betrachtet, kann dies zu einer Unterschätzung der tatsächlichen Temperatur führen. Die Erfassung einer größeren Oberfläche ist deshalb entscheidend. Diese Herausforderungen erschweren es, mit punktuellen Messverfahren eine gleichmäßige Erwärmung der Stahl-Billets sicherzustellen. Dadurch steigen das Risiko ungleichmäßiger Umformung, die Gefahr von Rissbildung, die Ausschussquote sowie das Risiko von Schäden an nachgelagerten Produktionsanlagen.

Wie Wärmebildkameras Ausschuss reduzieren und die Prozesskonstanz in Stahlwerken verbessern

Der Einsatz des Wärmebildsystems Xi 1M zur Überwachung von Stahl-Billets führte zu deutlichen Verbesserungen hinsichtlich Produktionsqualität, Effizienz und Wirtschaftlichkeit.

Zunächst konnte die Stahlqualität erheblich gesteigert werden. Da jedes Stahl-Billet innerhalb des vorgesehenen Temperaturbereichs erwärmt und anschließend mit der Wärmebildkamera überprüft wurde, traten bei nachgelagerten Prozessen wie dem Walzen weniger Materialfehler auf. Die flächendeckende Temperaturkontrolle unterstützte eine gleichmäßige Erwärmung und reduzierte Probleme durch Temperaturgradienten auf ein Minimum. Das Risiko von Rissen infolge lokaler Untertemperaturen sowie von Versprödung durch Überhitzung sank deutlich. Dadurch verringerte sich die Ausschussquote, während die Gleichmäßigkeit der Produktqualität zunahm. Dies wirkte sich positiv auf die Kundenzufriedenheit aus.

Ein weiterer wesentlicher Vorteil war die geringere mechanische Belastung der Produktionsanlagen und die Reduzierung von Stillstandszeiten. Indem unzureichend erwärmte Stahl-Billets daran gehindert wurden, in das Walzwerk zu gelangen, konnten Situationen vermieden werden, in denen übermäßig hohe Umformkräfte oder zusätzliche Walzdurchgänge erforderlich gewesen wären. Dies schützte Walzen und Pressen vor unnötigem Verschleiß.

Gleichzeitig half die Vermeidung von Überhitzung dabei, Schäden an Walzenoberflächen und Führungseinrichtungen durch überhitztes Material zu verhindern. Dank der kontinuierlichen Temperaturüberwachung konnten Stahl-Billets, deren Temperaturen von den vorgegebenen Grenzwerten abwichen, frühzeitig ausgeschleust oder durch Prozessanpassungen korrigiert werden, bevor eine Produktionsunterbrechung notwendig wurde.

Langfristig profitierte das Werk von weniger ungeplanten Stillständen und geringeren Wartungskosten für Ofen und Walzwerk, da der Prozess zuverlässiger innerhalb der vorgesehenen Temperaturgrenzen betrieben werden konnte.

Auch aus betrieblicher Sicht verbesserten die Automatisierung und die vom Optris-System bereitgestellten Messdaten die Prozesseffizienz. Die Wärmebildkamera ersetzte den Bedarf an mehreren einzelnen Pyrometern und reduzierte den personellen Aufwand für manuelle Temperaturmessungen an der heißen Produktionslinie. Dadurch erhöhte sich die Arbeitssicherheit, während sich die Mitarbeitenden auf andere Aufgaben konzentrieren konnten.

Da das System die Temperaturen selbstständig erfasst und bei Grenzwertüberschreitungen automatisch Alarm auslöst, wurden menschliche Fehler bei der Temperaturmessung weitgehend vermieden.

Durch die Integration in die Prozesssteuerung konnte zudem der Ofenbetrieb effizienter gestaltet werden. Beispielsweise ließ sich die Heizleistung in Echtzeit anpassen, um eine unnötige weitere Erwärmung bereits ausreichend heißer Stahl-Billets zu verhindern. Dies senkte den Energieverbrauch und die Brennstoffkosten.

Die präzisere Regelung der Ofentemperaturen verringerte außerdem die Gefahr übermäßiger Zunderbildung, da eine Überhitzung der Stahl-Billets vermieden wurde. Dadurch verbesserte sich die Materialausbeute, während der Wartungsaufwand für die Zunderentfernung zurückging.

Ein entscheidender Vorteil der Xi 1M gegenüber herkömmlichen Messlösungen liegt in den detaillierten Temperaturinformationen, die sie bereitstellt. Die Kamera erfasst automatisch die heißesten und kältesten Bereiche jedes Stahl-Billets, sodass auffällige Temperaturabweichungen zuverlässig erkannt werden können.

Dies erhöht die Prozesssicherheit für das Bedienpersonal erheblich. Anstatt die Temperaturverteilung im Inneren des Stahl-Billets anhand eines einzelnen Oberflächenmesspunkts abschätzen zu müssen, steht eine umfassende thermische Darstellung der sichtbaren Oberfläche zur Verfügung. Die systematische Aufzeichnung der Wärmebilder unterstützt darüber hinaus die Qualitätssicherung und die Produktionsdokumentation des Stahlwerks.

Auch wirtschaftlich erwies sich der Einsatz der Optris-Wärmebildkamera als äußerst vorteilhaft. Die Investitionskosten für die Xi 1M und das erforderliche Zubehör wurden durch Einsparungen in verschiedenen Bereichen ausgeglichen: geringere Ausschussquoten, reduzierter Brennstoffverbrauch, weniger Produktionsstillstände und eine längere Lebensdauer der Anlagen durch einen schonenderen Betrieb.

Im Vergleich zu Einwegsensoren wie Eintauchthermoelementen, die bei bestimmten Schmiedeprozessen eingesetzt werden, oder zur Verwendung mehrerer hochwertiger Pyrometer erwies sich die Lösung mit einer einzigen Wärmebildkamera als besonders wirtschaftlich. Die Investition amortisierte sich innerhalb kurzer Zeit.