Ein Herdofen ist ein großes Wärmesystem. Temperaturgradienten sind unvermeidlich – lassen sich aber beherrschen. Die Temperaturhomogenitätsprüfung (TUS) dient dem Nachweis, dass diese Maßnahmen wirksam sind.
MONTE INTELLIGENCE führt Wärmebehandlungsprüfungen (TUS) im Rahmen der Ofeninbetriebnahme durch und empfiehlt regelmäßige Wiederholungsprüfungen während der gesamten Ofenlebensdauer. Dieser Artikel erläutert die TUS-Anforderungen gemäß AMS 2750F, dem am weitesten verbreiteten Standard für Wärmebehandlungsanlagen in der Luft- und Raumfahrt, der Automobilindustrie und der allgemeinen Wärmebehandlung.
AMS 2750F klassifiziert Öfen nach ihrer Toleranz der Temperaturhomogenität. Klasse 1 erfordert eine Homogenität von ±3 °C – die engste Toleranz, die für kritische Bauteile der Luft- und Raumfahrt wie Turbinenscheiben und Strukturbauteile verwendet wird. Klasse 2 erfordert ±6 °C – der Standard für die meisten Wärmebehandlungen in der Luft- und Raumfahrt. Klasse 3 erfordert ±8 °C. Klasse 4 erfordert ±10 °C. Klasse 5 erfordert ±14 °C. Klasse 6 erfordert ±28 °C – die größte Toleranz, die für Spannungsarmglühen und unkritische Anwendungen verwendet wird.
Für einen Drehgestellherdofen ist die Erreichung der Klasse 2 (±6 °C) ein anspruchsvolles, aber realisierbares Ziel. Klasse 1 (±3 °C) ist für einen Ofen dieser Art aufgrund der räumlichen Dimensionen extrem schwierig zu erreichen – eine 10 Meter lange Ofenkammer weist aufgrund der Brenneranordnung, der Abgasströmung und der Wärmeverluste an der Tür naturgemäß Temperaturgradienten auf. Für die Temperaturregelung der Klasse 1 in einem Drehgestellherdofen sind typischerweise elektrische Heizelemente mit sehr präziser Zonenregelung anstelle von Gasbrennern erforderlich.
Das TUS-Verfahren gemäß AMS 2750F erfordert die Anordnung von Thermoelementen im gesamten Arbeitsbereich des Ofens. Der Arbeitsbereich ist der Bereich, in dem das Werkstück platziert werden muss, um die vorgeschriebene Wärmebehandlung zu erhalten. Bereiche in der Nähe von Wänden, Tür und Rückwand, in denen die Temperaturverteilung ungleichmäßiger sein kann, sind ausgeschlossen. Bei einem Drehgestellherdofen ist der Arbeitsbereich typischerweise der Bereich, der mindestens 300 mm von Wänden, Decke und Tür und mindestens 150 mm von der Herdfläche entfernt ist.
Die Anzahl der benötigten TUS-Thermoelemente hängt vom Volumen des Arbeitsbereichs ab. Für Volumina bis zu 0,085 Kubikmeter (3 Kubikfuß) sind 9 Thermoelemente erforderlich – je eines an jeder Ecke eines rechteckigen Rasters und eines in der Mitte. Bei Volumina zwischen 0,085 und 6,4 Kubikmetern erhöht sich die Anzahl auf ein 4x4x4-Raster oder 15–40 Thermoelemente, abhängig vom Seitenverhältnis. Für einen großen Herdofen mit einem Arbeitsbereich von 30–50 Kubikmetern schreibt die Norm ein Raster mit so vielen Thermoelementen vor, dass der Abstand zwischen zwei benachbarten Messpunkten maximal 0,6 Meter beträgt.
Die Thermoelementanordnung ist auf einem Prüfrahmen montiert – einer leichten Konstruktion, typischerweise aus Edelstahlrohr, die die Thermoelemente an den vorgegebenen Positionen anordnet, ohne den Luftstrom oder den Wärmeaustausch im Ofen wesentlich zu beeinträchtigen. Der Prüfrahmen wird auf den Drehgestellwagen gesetzt, und der Wagen wird zur Messung in den Ofen gefahren.
Die Messung wird bei der minimalen und maximalen Betriebstemperatur des Ofens sowie typischerweise bei einer oder mehreren Zwischentemperaturen durchgeführt. Bei einem Ofen mit einer Nenntemperatur von 500–1100 °C würde die Messung bei 500 °C, 800 °C und 1100 °C durchgeführt – drei vollständige Messzyklen. Sobald sich der Ofen bei jeder Temperatur stabilisiert hat (alle Messthermoelemente liegen 30 Minuten lang innerhalb von ±3 °C des Sollwerts), werden die Daten mindestens 30 Minuten lang erfasst.
Das Akzeptanzkriterium ist, dass alle Messthermoelemente während des gesamten Datenerfassungszeitraums innerhalb des vorgegebenen Toleranzbereichs bleiben müssen. Weicht ein Thermoelement von diesem Toleranzbereich ab, gilt die Messung bei der entsprechenden Temperatur als fehlgeschlagen. Fehlgeschlagene Messungen erfordern eine Anpassung der Ofensteuerung – typischerweise der Zonentemperatur-Offsets im Regler – und eine erneute Messung.
Die Anpassung der Zonentemperaturabweichung ist das wichtigste Mittel zur Verbesserung der Gleichmäßigkeit. Zeigt die Temperaturüberwachung (TUS), dass der vordere Bereich des Ofens (nahe der Tür) 8 °C kälter als der Sollwert ist, während der hintere Bereich den Sollwert erreicht, kann der Regler der vorderen Zone mit einer Abweichung von +8 °C programmiert werden. Nach der Anpassung wird die Temperaturüberwachung erneut durchgeführt, um die Verbesserung zu überprüfen. Die meisten Öfen erreichen mit der richtigen Zonenabweichungseinstellung eine Gleichmäßigkeit der Klasse 2, selbst wenn die anfängliche Messung eine Abweichung von ±10 °C oder mehr ergibt.
Das Inspektionsintervall hängt von der Ofenklasse und der Kritikalität der Arbeiten ab. Bei Öfen der Klasse 2, die Bauteile für die Luft- und Raumfahrt bearbeiten, muss die TUS gemäß AMS 2750F alle 6 Monate wiederholt werden. Bei Öfen der Klasse 4, die für die Wärmebehandlung von Industrieprodukten eingesetzt werden, ist eine jährliche Inspektion üblich. Jede größere Ofenänderung – Brenneraustausch, Modernisierung des Steuerungssystems, Erneuerung der Feuerfestauskleidung – erfordert eine erneute Qualifizierungsinspektion.
Das Verhältnis zwischen TUS (Thermoelement-Systemgenauigkeitstest) und SAT (Systemgenauigkeitstest) wird oft verwechselt. Der TUS misst die Temperaturverteilung im gesamten Arbeitsbereich. Der SAT misst die Genauigkeit der Ofensteuerung und der aufzeichnenden Thermoelemente im Vergleich zu einer kalibrierten Referenz. Beide Tests sind für die Einhaltung der AMS 2750 erforderlich, dienen aber unterschiedlichen Zwecken. Ein Ofen kann den SAT bestehen (das Steuerthermoelement misst korrekt), aber beim TUS durchfallen (einige Bereiche des Arbeitsbereichs sind im Vergleich zum Kontrollpunkt zu heiß oder zu kalt).
Die Dokumentation ist das Ergebnis einer TUS (Thermoelement-Prüfberichtsprüfung). Der Prüfbericht muss die Ofenkennung, das Prüfdatum, die Prüftemperaturen, ein Diagramm mit den Thermoelementpositionen, die Rohtemperaturdaten aller Thermoelemente für den gesamten Datenerfassungszeitraum, die berechnete Temperaturhomogenität sowie eine Bewertung (bestanden/nicht bestanden) enthalten. Dieser Bericht wird Bestandteil der Ofenqualitätsdokumentation und wird bei Kundenaudits und der NADCAP-Akkreditierung geprüft.
MONTE INTELLIGENCE bietet im Rahmen der Ofeninbetriebnahme eine initiale Thermoelement-Messung (TUS) an und führt regelmäßige Nachmessungen durch. Wir liefern außerdem die Montagehardware für die Thermoelemente, Datenerfassungssysteme und Berichtssoftware.
Für TUS-Dienstleistungen oder Unterstützung bei der Inbetriebnahme von Heizkesseln wenden Sie sich bitte an helenxu@cnlymonte.com.
