Maass P., Peissker P. (ред.) Handbuch Feuerverzinken
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Nutz.
+Q
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ges.
Daraus folgt:
Gl. 5.3Q
ges.
=
Q
Nutz.
+Q
V1
h
5.19
In- und Außerbetriebname eines Feuerverzinkungskessels, Kesselwechsel,
Betriebsweise
Eine von der Fa. Pilling [5.18] herausgegebene Broschüre „Verzinkungskessel –
Empfehlungen für den Betrieb“ enthält die gesamte Thematik. Deshalb werden in
den folgenden Abschnitten nur wesentliche Kriterien aufgeführt.
5.19.1
Feuerverzinkungskessel und Verzinkungsofen
Der Feuerverzinkungskessel (Kessel) enthält das schmelzflüssige Zink zur Aus-
führung des Verzinkungsprozesses. Die Kessel werden aus Spezialblechen mit
überwiegend 50 mm Dicke gefertigt. Sie werden in Spezialöfen (Öfen) mit
unterschiedlichen Energieträgern erwärmt. An den Innenwänden des Kessels
besteht durch den Angriff des schmelzflüssigen Zinks ein Werkstoffabtrag.
An die Kessel wird die Forderung nach einer langen Lebensdauer bei hoher
Durchsatzleistung gestellt. Ein Kesselausfall verursacht hohe Kosten vor allem durch
Produktionsausfall, Zinkverluste, Reparaturaufwand Zinkbergung (bei Havarie)
und eventuell Ersatzinvestition. Diese Forderung kann heute erfüllt werden. Vom
Kessel- und Ofenhersteller durch den Einsatz geeigneter Werkstoffe, Kessel-
konstruktionen, spannungsfreie Fertigungsverfahren sowie schonende, gleich-
mäßige Beheizungssysteme und diesen angepasste Temperaturmess-und -steuer-
geräte und vom Verzinkungsbetrieb durch Einhaltung der vorgegebenen Parameter
(kein Überschreiten der kritischen Temperatur von 490 °C und kritischen Heiz-
flächenbelastung von 24 kWh/m
2
). Unter diesen Voraussetzungen werden heute
Kessel bis zu den größten Abmessungen (ca. 17,5 m) in Abhängigkeit vom
Durchsatz während der Betriebszeit zwischenzeitlich nicht kontrolliert, sondern
danach durch einen neuen Kessel ersetzt.
Auch das Abtasten der Schweißnähte mittels Stahlhaken wird nicht mehr
ausgeführt, da bei fühlbaren Unebenheiten und Unregelmäßigkeiten nicht
zwischen einer Anfressung oder einem Hartzinkansatz unterschieden werden
kann. Damit sind große kostensparende Vorteile verbunden vor allem durch Wegfall
von Produktionsstillständen (bis zu 3 Tagen), Zinkverlusten (5 bis 8%), Energie-
verlusten, sowie zusätzlichem Arbeitszeitaufwand. Ein erhöhter Kesselverschleiß ist
nahezu immer auf einen nicht ordnungsgemäßen Verzinkungsbetrieb zurückzu-
führen. Sollte während der Nutzungsdauer doch die Kenntnis der Kesselwanddicke
von Interesse sein, so kann diese durch den Kessel – oder Ofenhersteller im
Betriebszustand, d. h. mit dem Inhalt der Zinkschmelze gemessen werden.
5 Technische Ausrüstung
190
Korrosion, wie Anfressungen an der Kesselinnenwand, die meistens an den Bögen
auftreten, kann damit jedoch nicht 100%-ig erfasst werden.
Bei der Berechnung der Heizflächenbelastung ist nicht nur die benötigte
Wärmemenge zur Erwärmung des Verzinkungsgutes zu beachten, sondern auch
die für das Einschmelzen des nachzusetzenden Zinks, die Wärmeverluste (Ober-
flächen und Wände des Kessels) und der Wärmeentzug durch Verzinkungshilfs-
mittel (Körbe, Gestelle u. dgl.).
Zur Vermeidung größerer Schwankungen der Temperatur der Zinkschmelze,
durch zeitweilig erhöhte Wärmeentnahme bei größerem Durchsatz, muss die
Zinkschmelze als Wärmepuffer fungieren. Der Kesselinhalt an Schmelze muss in
der Lage sein, die Differenz des Wärmeentzuges und der Wärmezufuhr auf geringe
Temperaturabweichungen von der Solltemperatur zu kompensieren. Der Kessel-
inhalt sollte deshalb ungefähr 30 bis 40 mal höherseinalsderstündliche
Verzinkungsdurchsatz (unter Berücksichtigung des Gewichtes der mit in die
Schmelze eintauchenden Verzinkungshilfsmittel). Größere Temperaturschwan-
kungen lassen sich auch durch entsprechende Zusammenstellung der zu verzink-
enden Chargen vermeiden, d. h. Zusammenstellung eines Chargenmixes an
schweren und leichten Bauteilen.
5.19.2
Inbetriebnahme
Während der Aufheizperiode besteht bis zum Erreichen der Betriebstemperatur
(450 bis 455 °C, abhängig von der Bauteilgestaltung und der Stahlzusammen-
setzung) die Gefahr einer Schädigung des Kessels aufgrund von Rissbildung durch
Flüssigmetallversprödung.
Die zur Auslösung der interkristallinen Risse erforderliche Zugspannung ist
temperatur- und zeitabhängig und sinkt bei 450 °C auf Werte unter 100 MPa. Zur
Verhinderung von Schäden am Kessel durch Rissbildung muss die Forderung nach
einer schonenden Fahrweise mit sehr langen Aufheiz- und Abkühlungsgeschwin-
digkeiten gestellt werden, um die Temperaturdifferenz im Kessel zu minimieren.
Ein Temperaturunterschied zwischen Innen- und Außenwand von 60 K ruft
Spannungen von ca. 120 bis 130 MPa hervor und liegt somit schon über der
kritischen Grenze. Hierzu kommen noch die Zugspannungen aus dem hydrostati-
schen Druck des Zinks. Sie erreichen ihren maximalen Wert im Wand-Boden-
Übergang, der damit auch der gefährdetste Bereich in der Anfahrphase ist.
Das Aufheizen eines neuen Ofens mit Kessel sollte immer nach Anweisung des
Ofenherstellers erfolgen. Es kann nach Abb. 5.35 vorgenommen werden. Der
Aufheizprozess soll langsam und gleichmäßig erfolgen. Deshalb muss stets ein
Temperaturausgleich in allen Bereichen des Verzinkungskessels gewährleistet sein.
Von Wichtigkeit ist, dass die Maximaltemperatur von 490 °C an der Kesselinnen-
wand und die Temperaturdifferenz von maximal 100 K zwischen Kesselwand und
-boden sowie 50 K in der Kesselwand nicht überschritten wird. Die erforderliche
Aufheizzeit wird sehr stark durch die Kesselgröße und dessen Geometrie bestimmt:
Große Kessel erfordern aufgrund der für den Temperaturausgleich notwendigen
längeren Zeit eine insgesamt längere Aufheizzeit als kleinere Kessel.
5.19 In- und Außerbetriebname eines Feuerverzinkungskessels, Kesselwechsel, Betriebsweise
191
In den letzten Jahren sind derartige Kesselhavarien seltener geworden, deren
Ursachen durch folgende Fehler begründet sind:
I
Einsatz von Blei bei Inbetriebnahme des Kessels, bevor sich
eine Hartzinkschicht an den Kesselinnenwänden ausgebildet
hat.
I
Zu schnelles Aufheizen in Verbindung mit ungesättigter
zinkhaltiger Bleischmelze kann zu interkristallinen Rissen
führen, wobei die Bögen besonders gefährdet sind.
I
Der Kessel wird im kritischen Temperaturbereich gefahren,
mit den Folgen eines unterschiedlich hohen Werkstoffabtra-
ges, ö rtlichen Auswaschungen und Durchbruchs. Dabei
nimmt der Werkstoffabtrag an den Stellen mit geringer
Wanddicke aufgrund der dort herrschenden höheren Tem-
peraturen ständig zu.
I
Zur Minimierung der Gefahr der Flüssigmetallversprödung ist
für den Erstbetrieb Zink mit einem Zinkgehalt > 99% einzu-
setzen. Dadurch wird eine blei- und eisenfreie Zinkschmelze
garantiert. Das Zink sollte entsprechend Abb. 5.34 dicht
anliegend an die Innenwand des Kessels eingestapelt werden,
damiteineguteWärmeübertragung von den beheizten
Kesselwänden zu den Zinkbarren gesichert ist und kritische
Temperaturen vermieden werden (Gefahr eines hohen
Werkstoffabtrages, örtlicher Auswaschungen bis zum
5 Technische Ausrüstung
Abb. 5.34 Einbringen von Zinkmasseln im Kessel
192
Durchbruch). Sicherheitshalber sollte Blei erst dann zugesetzt
werden, wenn das gesamte Zink geschmolzen ist und die
Zinkschmelze gereinigt wurde. Zur Vermeidung eines zu
hohen Drucks auf die KesselwändewirdinderMitteeinSpalt
von ca. 100 mm freigelassen.
5.19.3
Optimaler Betrieb
Unter der Voraussetzung, dass der Verzinkungsofen und Kessel den in den
Abschnitten 5.19.1 und 5.19.2 genannten Forderungen entspricht, ist die Lebens-
dauer in hohem MaßevonderBetriebsführung abhängig (kritische Temperatur der
Kesselinnenwände < 490 °C, kritische Heizflächenbelastung < 24 kWh/m
2
). Die sich
in der Zinkschmelze einstellende Temperatur entspricht dem Gleichgewichtszu-
stand zwischen der der Zinkschmelze entzogenen und ihr zugeführten Wärme.
Abb. 5.36 zeigt, dass sich infolge der nur endlichen Wärmeleitfähigkeit in der
Kesselwand ein Temperaturgefälle in Richtung des Wärmeflusses bildet, dessen
Höhe von der Wärmeleitzahl des Kesselwerkstoffes und der hindurchfließenden
Wärmemenge bestimmt wird.
5.19.4
Wirtschaftlicher Energieverbrauch und Lebensdauer des Kessels
Vom Ofenhersteller ist deshalb dafür zu sorgen, dass die Temperatur an der
Kesselinnenwand (Reaktionsfläche zwischen Eisen und Zink) so gleichmäßig wie
möglich und auch örtlich unter 490 °C gehalten wird. Bei Kesselinnenwandtempe-
raturen von 490 bis 530 °C ist ein besonders hoher Eisenabtrag zu verzeichnen.
Voraussetzung für einen optimalen Betrieb und lange Kessellebensdauer ist eine
gleichmäßige Wärmezufuhr und Vermeidung von Temperaturspitzen an der
5.19 In- und Außerbetriebname eines Feuerverzinkungskessels, Kesselwechsel, Betriebsweise
Abb. 5.35 Aufheizkurve für die Inbetriebnahme von Verzinkungskesseln
193
Kesselinnenwand nicht nur im Normalbetrieb, sondern auch bei Volllast. Deshalb
kann es zweckmäßig sein, bei Inbetriebnahme eines Kessels, die Temperaturver-
teilung entlang der Kesselwände bei Leerlauf und Volllast zu messen und bei
Abweichungen das Heizsystem entsprechend anzupassen. Die Temperatur an der
Kesselinnenwand ist nicht direkt messbar. An der Hartzinkbildung kann aber
festgestellt werden, ob die Zinkschmelze im kritischen Temperaturbereich gefahren
wurde. Hartzink wird nicht nur gebildet von Zetakristallen, die von verzinkten
Bauteilen abschwimmen, sondern auch von den Kristallen, die sich von den
Kesselwänden lösen. Diese Menge ist von der Temperatur der Grenzfläche
Kesselinnenwand/Zinkschmelze abhängig. Ist die Hartzinkbildung bei gleichem
Bauteilesortiment und Durchsatz höher, kann mit hoher Wahrscheinlichkeit davon
ausgegangen werden, dass die kritische Temperatur und Heizflächenbelastung
überschritten wurden. Der Hartzinkanfall sollte deshalb immer beobachtet und
Abweichungen ausgewertet werden.
Die Durchsatzleistung muss der Kesselgröße angepasst sein. Dabei ist das
Verhältnis der Kesselwandoberfläche zum Kesselinhalt ausschlaggebend. Ein
Kessel, der relativ schmal und tief ist, hat eine größere Heizfläche als ein breiter
und flacher Kessel mit gleichem Zinkinhalt. Bei gleicher Durchsatzleistung hat der
erstere eine kleinere spezifische Heizflächenbelastung als der Letztere. Außerdem
5 Technische Ausrüstung
Abb. 5.36
Temperaturverlauf inerhalb
einer beheizten Kesselwand bei
verschiedenen Wärmedurch-
gängen
194
ist die obere Grenze der Heizflächenbelastung von der HöhederTemperaturder
Zinkschmelze abhängig. Je näher diese Temperatur der höchstzulässigen Heiz-
flächentemperatur kommt, umso geringer wird die übertragene Wärmemenge, d. h.
umso geringer wird die höchstzulässige Durchsatzleistung, bzw. anders ausge-
drückt: Wenn bei T
Zn
= 440 °C verzinkt wird, darf die Durchsatzleistung höher
liegen, als wenn bei T
Zn
=460°Codernochhöherer Temperatur verzinkt wird. Die
Stärke der natürlich wachsenden Hartzinkschicht kann der Verzinker nicht
unmittelbar beeinflussen. Sie wird weitestgehend von der Betriebsweise bestimmt.
An ebenen Kesselwänden wächst die Hartzinkschicht ohnehin nicht beliebig weiter,
sondern die äußerste, an das schmelzflüssige Zink grenzende Schicht schwimmt ab
und sinkt nach unten. Das Abschwimmen kann auch durch eine beim Tauchvorgang
des Verzinkungsgutes verursachte Bewegung der Zinkschmelze stark gefördert
werden, so dass ein unzulässig starkes Anwachsen der Hartzinkschicht verhindert
wird. Ein zu starkes Abschwimmen der Hartzinkschicht kann aber auch schädliche
Folgen haben, indem durch die Spülwirkung der Zinkschmelze die schützende
Hartzinkschicht soweit abgetragen wird, dass an den Kesselwänden örtlich
Korrosion (Anfressungen, ungleichmäßiger Werkstoffabtrag) auftreten kann. Es
ist deshalb falsch das Hartzink von den Kesselwänden zu entfernen, wenn dieses
nicht, wie z. B. an Kesselecken bevorzugt in dicken Schichten abgelagert wird.
Das vom Verzinkungsgut und den Kesselwänden abschwimmende Hartzink
lagert sich am Kesselboden ab und bildet dort eine horizontale Schicht, die bis zum
turnusmäßigen Ziehen des Hartzinks etwa 1/5 der Kesseltiefe einnimmt. Die
Grundregel jeder Kesselbeheizung verlangt, dass an den Stellen der Hartzinkabla-
gerung (Kesselboden und die untersten Kesselwandpartien) keine Wärme vom
Kessel weggeführt wird. Die maximale Höhe der Hartzinkablagerung sollte jeder
Verzinker kennen und streng darauf achten, dass diese nicht überschritten wird.
Im Interesse der Minimierung des Energieverbrauchs sollten folgende Kriterien
beachtet werden:
I
Die in Abschnitt 5.18 genannten Abstrahlungsverluste gehen
mit der 4. Potenz nach dem Stephan-Boltzmannschen Gesetz
ein. Die Kesselabmessungen sollten deshalb so berechnet
werden, dass die freie KesseloberflächeunddieAbstrahlungan
den Kesselwänden so gering wie möglich gehalten werden.
Durch geeignete Dämmstoffe kann die Temperatur der
Kesselaußenwände auf 30 °C reduziert werden.
I
Die Abstrahlungsverluste an der Zinkbadoberfläche können
z. B. durch Abdecken der Oberfläche mit einer gut wärmege-
dämmten Abdeckung in den Pausen (kann meistens vom
Ofen- und/oder Kesselhersteller bezogen werden) weitestge-
hend minimiert werden. Vor dem Abdecken sollte die
Temperatur der Zinkschmelze heruntergeregelt werden.
Dadurch wird die Wärmezufuhr gedrosselt und eine Tempe-
raturerhöhung über die kritische Temperatur vermieden.
I
Während des Betriebes sind die Oberflächenverluste kaum zu
beeinflussen und müssen in Kauf genommen werden. Bei
Leerlauf des Kessels, d. h. wenn nicht verzinkt wird (bei Ein-
5.19 In- und Außerbetriebname eines Feuerverzinkungskessels, Kesselwechsel, Betriebsweise
195
und Zweischichtbetrieb, Ruhepausen u. dgl.), gibt die Ober-
fläche der Zinkschmelze ebensoviel Wärme ab, wie in den
Arbeitsschichten, wenn die Oberfläche der Schmelze nicht
abgedeckt wird. Natürlich werden von der dem Kessel zuge-
führten Wärmemenge nur etwa 40% zur Erwärmung des
Verzinkungsgutes benötigt. Die verbleibenden 60% werden
zurDeckungdermehrodermindernichtvermeidbaren
Wärmeverluste benötigt.
I
Ausnutzung der gesamten nutzbaren Kesselfläche (wegen der
hohen konstanten Abstrahlungsverluste). Ist das nicht mög-
lich, so sollte die freie, wärmeabstrahlende Oberfläche partiell
abgedeckt werden.
I
Nutzung der Abwärme zur Beheizung der Vorbehandlungs-
bäder u. dgl.
I
Optimierung der Traversenauslastung.
I
Minimierung des Gewichtes der Lastanschlagmittel, die mit in
dieZinkschmelzeeintauchen.
I
Abschalten des Lüfters für die Kesseleinhausung während der
Stillstandszeiten (Pausen zwischen 2 Tauchungen, Arbeits-
pausen u. dgl.)
5.19.5
Außerbetriebnahme
Eine Außerbetriebnahme erfolgt bei Kesselwechsel oder -inspektion. Fürgrößere
Kessel hat sich in der Praxis das Umpumpen des schmelzflüssigen Zinks in
Warmhaltekessel bewährt, die der Kesselhersteller meistens vorrätig hat und
vermietet. Diese Verfahrensweise ist wirtschaftlicher als das Umpumpen in
Kokillen. Die Inbetriebnahme des neuen Kessels erfolgt nach Abschnitt 5.19.
Wesentliche Vorteile der Warmhalteöfen gegenüber Kokillen sind:
I
Zeitersparnis, schnelleres Umpumpen und schnellere Wie-
derinbetriebnahme des neuen Kessels mit schmelzflüssigem
Zink. Es müssen nur ca. 10 bis 20% Barrenzink einge-
schmolzen werden (abhängig von der Ausgangsmenge an
Zink, Hartzinkanteil, Oxidation u. a, Zinkverluste).
I
Reduzierung der Zinkverluste durch Oxidation und Über-
laufen.
I
Kein Aufwand für das Fertigen von Kokillen.
I
Oft reicht der Platz fürdasAufstellenderKokillennichtaus.
I
Keine langen Rohrleitungen und Umdirigieren derselben.
I
Besserer Arbeits- und Gesundheitsschutz.
Zur Beachtung:
I
Sorgfältiges Hartzinkziehen nach Temperaturabsenkung auf
440 °C.
5 Technische Ausrüstung
196
I
Temperaturerhöhung der Zinkschmelze auf 465 bis 470 °C.
I
Feuchtigkeit ausschließen, Explosionsgefahr!
I
Geringe Entfernung zwischen Verzinkungskessel und
Warmhalteöfen herstellen.
I
Zinkpumpe mit montierter Rohrleitug ca. 100 mm über die
Oberfläche der Zinkschmelze zum Vorwärmen bringen und
nach ca. 5 min langsames Eintauchen der Wellenlaufbuchse in
die Schmelze.
Nach ca. 15 min muss die Welle sich von Hand drehen lassen,
erst dann kann diese in die Schmelze eingetaucht und der
Elektromotor angeschaltet werden. Lässt sich die Pumpe nicht
von Hand drehen, dann gegebenenfalls Vorwärmen der
Pumpe mit Schweißbrenner.
I
Die Berührung der auslaufenden Schmelze mit dem Luft-
sauerstoff während des Auslaufes in die Warmhaltebehälter so
gering wie möglich halten.
I
Es muss eine Reservepumpe bereitgehalten werden.
I
In das noch im Kessel verbleibende Zink (ca. 100 mm) werden
ca. 0,5 m
2
Raster aus Flachstahl eingebracht und mittig Zug-
stangen, Ketten u. dgl. eingegossen an denen nach Erkalten der
Kranhaken angeschlagen werden kann.
5.19.6
Havarie am Verzinkungskessel
Nach dem heutigen Stand der Technik (Verzinkungsofen, Kessel und Temperatur-
regelung) sind Havarie seltener geworden als z. B. bei der früheren Kohlebeheizung.
Die heute noch auftretenden Havarien sind überwiegend auf Bedienfehler
zurückzuführen (mangelhafte Temperaturregelung, -verteilung und -kontrolle.
Überschreiten der kritischen Temperatur von 490 °Cund/oderHeizflächenbe-
lastung; kritische Zusammensetzung der Schmelze, z. B. zu hoher Gehalt an Al oder
auch anderen Elementen). Bei einer Havarie ist schnelles und sicheres Handeln
notwendig, damit so viel wie möglich schmelzflüssiges Zink ausgebracht werden
kann. Erstarrtes Zink im Kessel oder Keller ist oft sehr schwer und nur mit hohem
Arbeitszeitaufwand zu bergen.
Wesentliche Maßnahmen zur Vorbeugung und Ausführung:
I
Vorhandensein einer Alarmanlage, z. B. durch eine rings um
die Kesselwände am Boden laufende Drahtschleife, die bei
Berührung mit der Schmelze Alarm auslöst.
I
Größere Öfen sollten an beiden Längsseiten mit Kokillen zur
Aufnahme des schmelzflüssigen Zinks ausgerüstet sein, in
denen sich entsprechend dimensionierte Haken zum
Anschlagen an den Kranhaken befinden.
I
Havarietraining hilft, den Schaden und finanzielle Verluste zu
minimieren.
5.19 In- und Außerbetriebname eines Feuerverzinkungskessels, Kesselwechsel, Betriebsweise
197
I
Havarieplan sichtbar aushängen.
I
DieZinkpumpe,Rohre,Kokillen,Haken...müssen ständig
einsatzbereit, gut sichtbar und schnell zugängig sein.
I
Im Notfall kann das schmelzflüssige Zink auch auf den
Hallenfußboden gepumpt werden, die Abgrenzung erfolgt mit
Sanddämmen (hohe Zinkverluste durch Oxidation).
5 Technische Ausrüstung
198
[5.1] Mannesmann-Demag, Salzburg/Ing.-Büro R. Mintert, Halver. Funktionsbeschreibung
der automatischen Verzinkungsanlage der Firma STAMA, Großräschen
[5.2] VDI-Richtlinie 2579, Oktober 1988, Auswurfbegrenzung/Feuerverzinkungsanlagen.
Berlin und Köln: Beuth-Verlag GmbH
[5.3] Körner Chemieanlagenbau Wies/A., allgemeine Information
[5.4] Scheer, G. Rietberg-Werke, mündliche Mitteilung
[5.5] Zink Körner, Hagen, allgemeine Information
[5.6] HASCO, England, allgemeine Information
[5.7] Inducal, Göllingen, allgemeine Information
[5.8] CIC, Holland, allgemeine Information
[5.9] Zink Körner, Hagen, allgemeine Information
[5.10] van der Veer, J. H.: CIC, Holland, Funktionsbeschreibung einer automatischen Kleinteile-
Verzinkungsanlage
[5.11] Zink Körner, Hagen, allgemeine Informationen
[5.12] Ing.-Büro R. Mintert, Halver
[5.13] Induga Industrieöfen, Köln
[5.14] Industrielle Elektrowärme. BBC Taschenbuch, 1968
[5.15] Pneumotec, Issum
[5.16] BeluTec Vertriebsgesellschaft mbH, Lingen
[5.17] Wübbenhorst, H.: Beheizung, Leistung und Wärmeverbrauch von Verzinkungsöfen,
Stahl und Eisen 76(1956)14
[5.18] Verzinkungskessel – Empfehlungen für den Betreiber, W. Pilling Kesselfabrik GmbH u.
Co KG
Literaturverzeichnis
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Literaturverzeichnis