Keramische Reflexionsbeschichtung im Industrieofen
Mithilfe der keramischen Beschichtung CeraCoat entsteht in Industrieöfen eine um etwa 30 % erhöhte Reflexion der Wärmestrahlung, verglichen mit unbeschichteten Oberflächen. Dadurch wird die erforderliche Temperatur mit geringerem Energieeinsatz früher erreicht, wodurch gleichzeitig auch die CO2-Emissionen sinken.
Ende Juli 2022 sprach Bundeswirtschaftsminister Robert Habeck von der „größten Energiekrise“ in Deutschland, zurückzuführen auf die Abhängigkeit von russischem Gas. In allen Industriebereichen ist es daher das Gebot der Stunde, Energie einzusparen. Dies gilt beispielsweise für Gießereien, Schmieden und Härtereien. In diesen Betrieben wird besonders extreme Hitze benötigt, um qualitativ hochwertige Produkte zu erzeugen. Ein Teil der eingesetzten Wärme wird aber von den Öfen selbst absorbiert und erhöht daher den Energiebedarf.
Bild 1: Die bessere Wärmereflexion der Beschichtung erhöht die Rückstrahlung auf das Pro- dukt, was ein schnelleres Aufheizen bei geringerem Heizenergieverbrauch bewirkt.
Doch mittlerweile gibt es Abhilfe: Die sogenannte CeraCoat-Beschichtung wird auf die heiße Seite des Ofens aufgebracht und erhöht die Reflexion der Wärmestrahlung im Vergleich zu unbeschichteten Oberflächen um etwa 30 % (Bild 1). Dadurch erreichen die Werkstücke die avisierte Kerntemperatur deutlich schneller und der Heizbedarf kann drastisch sinken, wie eine aktuelle, von der Deutschen Bundesstiftung Umwelt (DBU) geförderte Untersuchung zeigt. Bei Laborversuchen mit zwei Stahlblöcken in einem Boxofen verkürzte sich die Aufheizzeit der Blöcke bei einer vorhandenen CeraCoat-Beschichtung nachweislich um 25 %. Der temperaturgeregelte Brennerbetrieb ermöglichte daraufhin eine deutliche Erdgaseinsparung und CO2-Reduktion.
Die mörtelartige CeraCoat-Masse wurde ursprünglich in den USA für die Porzellan- und Steingutindustrie entwickelt und besteht aus natürlich vorkommenden Stoffen wie Mulliten, Kaoliniten und Oxiden verschiedener Übergangsmetalle. Das Besondere an dieser Mischung ist ihre starke Wärmereflexion bei Temperaturen ab etwa 660 °C, wodurch Aufheizzeiten verkürzt oder Durchlaufzeiten reduziert werden können.
30 % mehr Wärmereflexion dank Keramikbeschichtung
Herkömmliche Schamott- oder Faseroberflächen nehmen aufgrund ihrer geringeren Reflexionsfähigkeit viel Wärme auf, die dann nur zum Teil wieder emittiert wird. Bei CeraCoat ergab ein Gutachten der Universität Duisburg-Essen zu den Auswirkungen der Beschichtung auf die Strahlungseigenschaften von Feuerfestmaterial eine um bis zu 30 % höhere Wärmereflexion verglichen mit unbeschichteten Oberflächen. In der Praxis heißt das: Durch die stärkere Reflexion kann die eingesetzte Gesamtenergie unter bestimmten Voraussetzungen deutlich besser genutzt werden. Die Werkstücke im Ofen können dann wesentlich früher die notwendige Kerntemperatur erreichen.
BFI-Laborversuch zeigt verkürzte Aufheizzeit um 25 %
In einem aktuellen DBU-geförderten Forschungsprojekt des VDEh-Betriebsforschungsinstituts (BFI) in Kooperation mit der Avion Europa konnte in Technikumsversuchen nun erstmals die Wirkung des Coatings auf das zu erwärmende Material nachgewiesen werden. Insgesamt wurden jeweils drei Testläufe ohne Beschichtung sowie drei Testläufe mit keramischer Beschichtung durchgeführt und dadurch vergleichbare Ergebnisse erzielt. „Für sämtliche Versuche wurde ein 2 m x 2 m x 6 m großer Kammerofen mit einem offenen 800-kW-Brenner und einer Faserzustellung verwendet, welche eine Hitzebeständigkeit bis 1600 °C aufweist. Im Inneren platzierten die Ofenbediener zwei Stahlblöcke und versahen diese mit Thermoelementen, die in unterschiedlichen Tiefen angeordnet wurden. Auf diese Weise sollte im Ofenraum eine Prozesstemperatur von 1300 °C und als niedrigste Kerntemperatur in den Versuchsblöcken 1250 °C nachgewiesen werden.
Bild 2: a) Temperaturverlauf ohne Coating, b) mit Coating. Die Aufheizzeit ist um 25 % kürzer.
Bei den Versuchen für den unbeschichteten Zustand dauerte es 4 h, bis die Blocktemperatur von 1250 °C erzielt wurde. Im Anschluss wurde die CeraCoat-Beschichtung auf die Faserzustellung der Brennkammer aufgetragen. In den Testläufen mit CeraCoat konnten die
1300 °C-Ofen- und die 1250 °C-Kerntemperatur bereits nach 3 h erreicht werden (Bild 2 a und b). „Ein Einfluss des Coatings auf die Wärmeübertragung zeigt sich ab 800 °C Ofenraumtemperatur. Ab dieser Temperatur erwärmen sich der Ofenraum sowie die Stahlblöcke mit einem höheren Temperaturgradienten als im Versuch ohne das Coating“, erklärt Dr.-Ing. Carsten Rein, Versuchsleiter am BFI. Da sich die Aufheizzeit der Blöcke um 25 % verkürzte, konnte in den Versuchen ein Effekt durch die Beschichtung eindeutig nachgewiesen werden. Auf- grund des temperaturgeregelten Brennerbetriebs und der durch das Coating schneller erreichten Regelgröße (Brennkammertemperatur 1300 °C) wurde die Gaszufuhr während des Versuchs heruntergeregelt. Hierdurch entstanden zudem eine sehr hohe Gasersparnis und damit auch eine deutliche CO2-Reduktion. Die Versuche zeigen also bei Temperaturen von mehr als 800 °C einen deutlich höheren Temperaturgradienten, sowohl bei den Brennkammer- als auch bei den Blocktemperaturen. Es ist somit davon auszugehen, dass der Effekt der Beschichtung besonders bei Hochtemperaturanwendungen messbar wird.
Erhöhte Lebensdauer der Ofen-Ausmauerung
In Öfen mit niedrigeren Temperaturen, in denen die Einspareffekte durch die Abstrahlung geringer ausfallen, lohnt sich durch die Schutzwirkung für die Ausmauerung der Einsatz der Beschichtung nach Erfahrung von Avion wegen eines zusätzlichen Effekts: In der unbeschichteten Brennkammer sind Stahl sowie Schamotte oder Fasermaterial den Ofengasen ausgesetzt. Daher degenerieren sie nach und nach, was alle fünf bis zehn Jahre eine kostenintensive neue Zustellung erfordert. CeraCoat hingegen bildet eine Barriere zwischen Ofenwand und Gasen, welche die Lebensdauer der Ofenisolierung um 5 bis 10 Jahre verlängert (Bild 3). Selbst eine bereits verwitterte Ofenwand kann so ertüchtigt werden, da das Aufbringen der Beschichtung den Erosionsprozess der Ausmauerung unterbricht. Voraussetzung dafür ist natürlich, dass die Statik der Mauerung noch intakt ist.
Bild 3: Die CeraCoat-Masse ist mörtel- artig und verlängert die Lebensdauer der Ofenausmauerung.
„Mit dem Ergebnis der Versuche des BFI im Kammerofen sind wir sehr zufrieden“, so Roland Caminades, Geschäftsführer der Avion Europa in Hagen, die mit CeraCoat eine solche keramische Reflexionsmasse exklusiv im deutschsprachigen Raum vertreibt. „Besonders freut uns, dass das DBU es in Erwägung zieht, ein weiteres Forschungsprojekt zu fördern, bei dem die Wirkung der Beschichtung an Industrieanlagen, beispielsweise auch bei kontinuierlichen Prozessen untersucht wird.“ In der Zwischenzeit plant Avion Europa die Übertragbarkeit des vielversprechenden BFI-Versuchs auf einen im Betrieb befindlichen Boxofen.
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