Gussteil mit Rechenkraft optimiert

Seit Jahren stellt Toshiba Hydro Power Gussteile für den Einsatz in Kraftwerken her. Nach der mechanischen Bearbeitung minderten an die Oberfläche geratene Lufteinschlüsse die Qualität. Aufwendige Nacharbeiten waren nötig. Um das Problem in den Griff zu bekommen, führten die Verantwortlichen eine Software zur Simulation von Gießerei-Prozessen ein.

Einschlüsse auf der Oberfläche nach mechanischer Bearbeitung, vor Anschaffung der Software und die Qualität des Stahlgusses nach der Optimierung der Prozesse mit der neuen Lösung. Bilder: Toshiba Hydro Power.

Die Anforderungen an die Qualität von Stahlgussteilen steigen ständig. Daher werden Stahlträgerringe, die in Kraftwerken eingesetzt werden, mit sehr strengen Qualitätsvorgaben hergestellt. Toshiba Hydro Power stellt diese ringförmigen Gussteile seit über sieben Jahren für seine Muttergesellschaft her. Eine der größten Herausforderungen dabei waren Einschlüsse auf der äußeren Ringoberfläche, die für über 40 Prozent aller Fehler verantwortlich waren. Aufgrund der hohen Anforderungen an die Qualität mussten diese Fehler durch Polieren und anschließendes Schweißen entfernt werden. Allein die Kosten für die Schweißelektroden beliefen sich auf rund 81.748 Euro pro Jahr. Um hochwertige Gussteile für vier Projekte 2011 herzustellen, betrug die Gesamtzeit für das Schweißen rund 12.142 Stunden und rund 2.600 Kilogramm Schweißdraht wurden verbraucht. Eine Zeit lang wurde daher eine Reihe von Maßnahmen geprüft, um dieses Problem zu beseitigen oder zumindest zu verkleinern.

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Simulierter Guss entlarvt die Fehlerquellen

Um das Problem der Enschlüsse umfassend zu lösen, suchten die Gießereifachleute nach dessen Ursachen. Unterstützung dabei sollte auch eine Anwendung von Magmasoft zur Simulation von Gießprozessen leisten. Vor der Anschaffung der Simulations-Software verdächtigten die Qualitätsverantwortlichen viele verschiedene Faktoren, diese Einschlüsse zu verursachen, wie beispielsweise die Qualität der Schmelze, die Formmaterialien oder auch die Bildung von Reoxidationseinschlüssen. Allerdings konnten sie immer nur Vermutungen anstellen, welcher Faktor der wichtigste für das Problem sein könnte. Nachdem das Werkzeug ‚Magma 5‘ schließlich eingeführt worden war, konnte die Gießerei die bestehende Auslegung des Gießsystems ausgiebig simulieren. Die Berechnungen und die Vorhersage der Einschlüsse zeigte deutlich die potenziell gefährdeten Bereiche. Parallel dazu wurde der Füllvorgang genau untersucht. Es zeigten sich Verwirbelungen an zwei zentralen Anschnitten, die die freie Oberfläche der Schmelze vergrößerten und für eine große Menge an eingeschlossener Luft sorgten, was wiederum zur Bildung von Reoxidationseinschlüssen auf der äußeren Oberfläche führte. Basierend auf diesen Erkenntnissen konnten konkrete Maßnahmen zur Lösung des Problems ergriffen werden.

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Kurzer Kontakt zwischen Luft und Schmelze

Entscheidend war, die auftretenden Turbulenzen während des Füllens zu reduzieren und damit die Zeit des Kontaktes zwischen Luft und Schmelze zu verringern. Der Plan war, auf diese Weise alle verbleibenden Einschlüsse in die Speiser zu verlegen. Die Mitarbeiter der Gießerei prüften noch viele andere Ideen, wobei die Simulationssoftware als virtuelle Produktionsstätte fungierte. Aufgrund der Simulationen wurde erkannt, dass die Einschlüsse in Bereiche zwischen den Speisern gedrängt wurden, solange Anschnitte direkt unter den Speisern platziert waren. Die Techniker des Unternehmens führten mehrere virtuelle Experimente mit alternativen Angusssystemen durch, um die Anschnitte zwischen die Speiser zu verlegen und so die Einschlüsse in die Speiser zu verdrängen. Die Simulationsergebnisse bestätigten, dass diese Annahme korrekt war. Daraufhin wurden zwei Teile mit der neuen Methode produziert. Nach umfassender Prüfung passierten die Gussteile mit nur minimalen Einschlüssen die strenge Qualitätskontrolle.

Schweißarbeiten um ein Drittel reduziert

Mit Hilfe der Simulationssoftware wurde der durchschnittliche Schweißaufwand um ein Drittel pro Tonne Guss reduziert. Da durch den Einsatz der Lösung kontinuierliche Verbesserungen erzielt wurden, erwarten die Anwender, dass der Reparaturaufwand noch weiter reduziert werden kann. Durch die Reduzierung der Gussfehler konnte darüber hinaus die Gesamtfertigungszeit deutlich verkürzt werden, so dass die Produktion wesentlich rentabler wurde. Nachdem die Software schon einige Zeit im Einsatz ist, sind die Ingenieure nun davon überzeugt, dass sie aufgrund ihres verbesserten Know-hows die Lösung für die Vorab-Optimierung vieler neuer Gussteile einsetzen können.