Bei Wärmebehandlungsverfahren ist die präzise Messung des Wasserstoffgehalts ein entscheidender Faktor. Die in der Metallurgie zum Glühen, Härten oder Löten eingesetzten Wärmebehandlungsöfen arbeiten mit Gasgemischen, die hauptsächlich aus Wasserstoff (H₂) und Stickstoff (N₂) bestehen.
In diesem anspruchsvollen Umfeld ist eine geeignete Analyselösung unerlässlich, um Qualität, Sicherheit und die Einhaltung gesetzlicher Vorschriften zu gewährleisten.
Die Verwendung von Wasserstoff in Wärmebehandlungsöfen unterliegt strengen europäischen und internationalen Vorschriften, die darauf abzielen, Explosionsrisiken zu vermeiden und das Personal zu schützen.
So schreibt beispielsweise die Norm NF EN 746-3 für industrielle thermische Anlagen spezifische Anforderungen hinsichtlich der Verwendung von brennbaren Gasen, darunter Wasserstoff, vor. Sie legt insbesondere Folgendes fest:
Diese Anforderungen gewährleisten, dass die Zufuhr von Wasserstoff in den Ofen nach streng kontrollierten, dokumentierten und überprüfbaren Verfahren erfolgt.
Dies bedeutet auch, dass der Betreiber die Rückverfolgbarkeit der Konzentrationen, die Konformität der Messgeräte und die Schulung des Personals sicherstellen muss, um ein Sicherheitsniveau aufrechtzuerhalten, das den gesetzlichen Anforderungen entspricht.
Die Wasserstoffmessung in einem Wärmebehandlungsofen erfolgt unter besonders extremen Bedingungen: Temperaturen von über 1000 °C, staubbeladene Atmosphäre und starke Druckschwankungen. Aufgrund der thermischen und mechanischen Belastungen, denen die Sensoren ausgesetzt sind, ist eine direkte Messung unter diesen Bedingungen langfristig kaum praktikabel.
Zu diesen Einschränkungen kommen noch die dynamischen Konzentrationsschwankungen im Verlauf des thermischen Zyklus hinzu. So kann ein Zyklus beispielsweise mit 100 % H₂ beginnen und dann schrittweise auf 10 % verdünnt werden, wobei Stickstoff zur Stabilität und Sicherheit des Prozesses beiträgt. Die Messtechnik muss diese Übergänge daher präzise verfolgen, ohne Abweichungen oder übermäßige Reaktionszeiten.
Schließlich hängt die Zuverlässigkeit der Messung davon ab, ob es gelingt, eine Probe zu entnehmen, die die Ofenatmosphäre genau widerspiegelt, ohne dass es zu Kondensation oder einer Veränderung der Zusammensetzung kommt.
Durch die Entnahme und Aufbereitung der Probe wird sichergestellt, dass das zu analysierende Gas die Betriebsgrenzen des Analysegeräts einhält, wodurch eine präzise, stabile und tatsächlich repräsentative Messung der Wasserstoffkonzentration im Ofen gewährleistet wird.
Die Beherrschung dieser Probenahmekette stellt daher einen entscheidenden Schritt dar und führt zwangsläufig dazu, dass eine Messung mittels eines extraktiven Systems vom Typ „Cold Dry“ bevorzugt wird , das speziell auf die Anforderungen des Verfahrens zugeschnitten ist.
Um diesen Herausforderungen gerecht zu werden, verfolgt Fuji Electric einen strukturierten Ansatz, der zunächst auf einer gründlichen Prozessanalyse und anschließend auf der Integration einer umfassenden, auf den Ofen zugeschnittenen Gasanalyselösung basiert.
Jedes Projekt beginnt mit einer gründlichen Analyse der Prozessparameter: Zusammensetzung der Gasmatrix, Wasserstoffkonzentrationsbereiche, thermodynamische Bedingungen (Temperatur, Druck) und Aufstellungsbedingungen.
In dieser Engineering-Phase werden die Abmessungen der Probenahmekette festgelegt, Materialien ausgewählt, die für den Hochtemperaturbereich geeignet sind, und die Konditionierungsbedingungen definiert, die die messtechnische Repräsentativität gewährleisten.
Ziel ist es, eine optimierte Messarchitektur zu entwickeln, die über den gesamten thermischen Zyklus hinweg Stabilität, Wiederholbarkeit und Robustheit gewährleistet.
Die Analyselösung basiert auf einer Hochtemperatursonde, die Temperaturen von bis zu 1300 °C standhält und eine zuverlässige Probenahme im Inneren des Ofens gewährleistet. Sie verfügt über einen beheizten Filter sowie ein Rückspülsystem (mit Luft oder Inertgas) für stark staubbelastete Umgebungen.
Das entnommene Gas wird anschließend durch ein Cold-Dry-Aufbereitungssystem geleitet, das eine Feinfiltration, eine Trocknung und eine Durchflussregelung umfasst. Dieser Schritt stellt sicher, dass die Probe die Betriebsgrenzen des Analysegeräts strikt einhält und eine Zusammensetzung beibehält, die für die tatsächliche Ofenatmosphäre repräsentativ ist.
Die Analyse erfolgt mit einem ZAF-Wärmeleitfähigkeitsanalysator, der als Referenztechnologie für die Wasserstoffmessung gilt und eine Genauigkeit von ±1 % sowie eine hervorragende Wiederholbarkeit bietet – Eigenschaften, die für eine zuverlässige Überwachung der Konzentrationsschwankungen während des Prozesses unerlässlich sind.
Dank maßgeschneiderter Technik in Verbindung mit leistungsstarken Messgeräten gewährleistet die Lösung von Fuji Electric eine zuverlässige, kontinuierliche Wasserstoffmessung, die perfekt auf die hohen Anforderungen industrieller Wärmebehandlungsöfen abgestimmt ist.
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