Der Schmiedeofen ist das Herzstück jeder Schmiede. Er nimmt kalte Knüppel oder Stangen auf und gibt sie alle 30 bis 90 Sekunden mit der exakt richtigen Temperatur ab – typischerweise 1150–1250 °C für die Stahlschmiede – und das den ganzen Tag, Tag für Tag. Zuverlässigkeit und Temperaturkonstanz sind unerlässlich: Weicht die Ofentemperatur nur 30 °C vom Sollwert ab, kann dies die Tagesproduktion zunichtemachen, und ein Ofenausfall legt die Presse oder den Hammer lahm und zwingt die Schmiedemannschaft nach Hause.
MONTE INTELLIGENCE liefert gasbefeuerte Schmiedeöfen – sowohl Chargenöfen (mit Drehherd) als auch Durchlauföfen (mit Schieber, Hubbalken und Drehherd) – für Schmiedebetriebe in Asien und dem Nahen Osten. Dieser Artikel behandelt die Konstruktions- und Betriebsfaktoren, die die Leistung von Schmiedeöfen bestimmen.
Die Schmiedetemperatur für Stahl liegt im Warmumformbereich, oberhalb der Rekristallisationstemperatur, bei der das Metall weicher wird und sich mit geringeren Kräften verformen lässt. Für mittelgekohlte und legierte Stähle liegt der Schmiedetemperaturbereich typischerweise zwischen 1150 und 1250 °C. Die obere Grenze wird durch die Brenntemperatur – die Temperatur, bei der das Korngrenzenschmelzen beginnt (bei vielen Stählen etwa 1250–1300 °C) – und die Zunderbildungsrate bestimmt, die exponentiell mit der Temperatur zunimmt. Die untere Grenze wird durch die erforderliche Schmiedekraft und die Rissgefahr im Werkstück bestimmt.
Die Temperaturhomogenität im Schmiedeofen bestimmt die Gleichmäßigkeit des Metallflusses beim Schmieden. Ein Rohling, der an einem Ende 1200 °C und am anderen 1150 °C heiß ist, fließt an den beiden Enden unterschiedlich, was zu Problemen bei der Werkzeugfüllung, Maßabweichungen oder Rissen am kälteren Ende führen kann. Die Standardanforderung an die Temperaturhomogenität im Schmiedeofen liegt zwischen ±14 °C (Klasse 5 nach AMS 2750) und ±28 °C (Klasse 6). Diese Anforderungen sind weniger streng als die Anforderungen an die Wärmebehandlungshomogenität, da der nachfolgende Schmiedeprozess das Metall umverteilt und kleine Temperaturschwankungen ausgeglichen werden.
Die Aufheizrate beim Schmieden muss ein Gleichgewicht zwischen Produktivität und dem Risiko von Spannungsrissen im Werkstück herstellen. Ein Werkzeugstahlblock mit 200 mm Durchmesser, der mit 100 °C pro Minute von Umgebungstemperatur erhitzt wird, kann aufgrund der thermischen Spannungen zwischen der heißen Oberfläche und dem kalten Kern reißen. Die maximal zulässige Aufheizrate hängt von der Stahlsorte, dem Querschnitt und der Ausgangstemperatur ab. Hochkohlenstoff- und hochlegierte Stähle erfordern langsamere Aufheizraten als unlegierte Stähle. Kalte Blöcke im Winter (Ausgangstemperatur 0 °C) benötigen eine langsamere Erwärmung als Blöcke, die durch Lagerung in einem warmen Raum vorgewärmt wurden.
Die Zunderbildung ist die Oxidation der Stahloberfläche während des Erhitzens im Schmiedeofen. Die Zunderschicht – Eisenoxid, FeO, Fe3O4, Fe2O3 – stellt einen Materialverlust (typischerweise 1–3 % des Knüppelgewichts) dar, beschleunigt den Werkzeugverschleiß (Zunder ist abrasiv und verschleißt die Schmiedewerkzeugoberflächen schneller als sauberes Metall) und führt zu Problemen mit der Oberflächengüte (eingebetteter Zunder in der Schmiedeoberfläche erfordert mehr Bearbeitungszugabe).
Die Zunderbildungsrate hängt primär von Temperatur und Zeit ab. Bei 1200 °C bildet sich auf einem Kohlenstoffstahlblock in Luft innerhalb von 15 Minuten eine Zunderschicht von etwa 0,1 mm. Nach 60 Minuten kann die Zunderdicke 0,3–0,5 mm betragen. Aufgrund der exponentiellen Temperaturabhängigkeit kann eine Erhöhung der Ofentemperatur um 50 °C die Zunderbildungsrate verdoppeln. Dies ist ein Grund, warum eine präzise Temperaturregelung neben Energieeinsparungen auch einen wirtschaftlichen Nutzen hat – sie reduziert direkt den Materialverlust durch Zunder.
Der Betrieb mit reduzierender Atmosphäre – also die Verbrennung des Gases mit weniger als der stöchiometrischen Luftmenge, wodurch CO und H₂ als Verbrennungsprodukte entstehen – kann die Zunderbildung verringern. CO und H₂ reagieren mit Eisenoxiden und reduzieren diese wieder zu metallischem Eisen. Ein Betrieb mit fetter Atmosphäre führt jedoch zu Rußbildung, erhöhten CO-Emissionen und birgt ein Sicherheitsrisiko (brennbare Gase im Abgassystem). Ein mäßig fetter Betrieb – 5–10 % unter dem stöchiometrischen Luftanteil, oft als reduzierende Flamme bezeichnet – wird in einigen Schmiedeöfen zur Zunderkontrolle eingesetzt, erfordert aber eine sorgfältige Brennereinstellung und Abgasüberwachung.
Der Durchsatz eines kontinuierlichen Schmiedeofens hängt von der beheizten Ofenlänge, der Knüppelgröße und der erforderlichen Aufheizzeit ab. Die Aufheizzeit für Stahlknüppel lässt sich anhand des Querschnitts abschätzen: etwa 5–6 Minuten pro 25 mm Durchmesser für runde Knüppel, die in einem gut durchmischten Gasofen bei 1200 °C erhitzt werden. Ein Knüppel mit 100 mm Durchmesser benötigt etwa 22–25 Minuten, um eine gleichmäßige Schmiedetemperatur zu erreichen. Bei einer beheizten Ofenlänge von 6 Metern und einem Knüppelabstand von 200 mm auf dem Herd fasst der Ofen etwa 30 Knüppel. Bei 25 Minuten Aufheizzeit pro Knüppel beträgt der Durchsatz 30 / 25 × 60 = 72 Knüppel pro Stunde.
Die Luftzirkulation im Ofen – die Bewegung heißer Verbrennungsgase um die Rohlinge – ist der Mechanismus für den konvektiven Wärmeaustausch. Natürliche Konvektion in einem heißen Ofen sorgt zwar für eine gewisse Zirkulation, doch für eine gleichmäßige Erwärmung bei hohem Durchsatz sind Umwälzventilatoren erforderlich. Diese Ventilatoren, die typischerweise im Ofendach oder an den Seitenwänden montiert sind, saugen heiße Gase aus dem Ofenraum an und führen sie mit hoher Geschwindigkeit wieder in den Raum zurück. Dadurch entsteht eine durchmischte Atmosphäre, die alle Oberflächen der Rohlinge gleichmäßig erhitzt.
Die Schmiedeöfen von MONTE INTELLIGENCE sind für den 24/7-Betrieb ausgelegt und verfügen über eine robuste Feuerfestauskleidung, industrietaugliche Brenner und Steuerungssysteme, die auf die für Schmiedeprozesse erforderlichen Temperaturzyklen abgestimmt sind.
Für ein Angebot für einen Schmiedeofen, das auf Ihre Produktionsanforderungen zugeschnitten ist, kontaktieren Sie bitte helenxu@cnlymonte.com.
