Automatisierung der Zinkasche-Abscheidung an Verzinkungskesseln in Feuerverzinkereien (Projekt)

In der Feuerverzinkungsbranche sind die Beschäftigte beim Arbeiten am Verzinkungskessel hohen gesundheitlichen Risiken ausgesetzt. Insbesondere beim manuellen Abscheiden von Zinkasche während des Verzinkungsprozesses treten hohe gesundheitliche Belastungen auf.

Beim Feuerverzinken werden die zu verzinkenden Bauteile in einen Kessel mit flüssigem Zink, das etwa 450° C heiß ist, eingetaucht. Während des zehnminütigen Prozesses entstehen Reaktionsprodukte, die die Qualität der Zinkschicht beeinträchtigen können. Besonders die Zinkasche, die durch Verdampfung des Flussmittels entsteht, muss manuell entfernt werden. Beschäftigte verwenden mechanische Rechen, um die Asche abzuscheiden, was mit Risiken wie Absturzgefahr und Einatmen von Dämpfen verbunden ist.

Eine Automatisierung kann diese Risiken erheblich mindern und den Personalbedarf reduzieren. Zusammen mit der Berufsgenossenschaft Holz und Metall (BGHM) und dem IEHK der RWTH Aachen hat das Fraunhofer IFF deshalb roboterbasierte Lösungen für den Einsatz beim Verzinkungsprozess entwickelt und erprobt.

Kern der Automatisierungslösung sind verschiedene Werkzeuge zum Abscheiden, die automatisch von einem auf einer Linearachse befindlichen 6-achsigen Industrieroboter über die Zinkbadoberfläche geführt werden. Als Abscheidewerkzeuge können dabei sowohl mechanische als auch gasbasierte Werkzeuge zum Einsatz kommen.

Das mechanische Werkzeug orientiert sich an den typischen handgeführten Werkzeugen der Branche, mit denen die Zinkasche auf der Oberfläche durch impulsartige Bewegungen mobilisiert wird. Dagegen erfolgt beim gasbasierten Werkzeug die Mobilisierung der Asche durch einen gezielt aufgefächerten Druckluftstrom. Somit wird der direkte Kontakt zur Oberfläche vermieden. Bei der Gestaltung der Werkzeuge sind Kriterien wie Gewicht, Abmessungen, Wärmebeständigkeit, Stabilität und Modularität wichtige Faktoren.

Die optimale Gestaltung der Werkzeuge wurde anhand theoretischer Berechnungen sowie praktischer Vorversuche an einem 1:1-Modell im Technikum des Fraunhofer IFF ermittelt. In darauf aufbauenden Abscheideversuchen an einem realen Industrieverzinkungskessel konnte die Praxistauglichkeit beider Abscheidewerkzeuge erprobt und nachgewiesen werden.

Das mechanische Werkzeug führt zur vollständigen Entfernung der Zinkasche. Das Bewegungsprofil des Werkezugs umfasst dabei langsame und impulsartige Bewegungen, die eine effektive Abtragung der Asche gewährleisteten.

Der gasbasierte Prozess mobilisiert die Zinkasche durch Gasbeaufschlagung. Die Größe des Volumenstroms sowie des Gasdrucks sind dabei entscheidend für die Effizienz der Aschemobilisierung. Erweiterte Tests mit Stickstoff als Druckmedium zeigen eine Verringerung der Oxidation der Zinkoberfläche im Vergleich zu Druckluft.

Generell ist die technische Machbarkeit beider Werkezugsysteme gegeben und kann zukünftig in industriellen Lösungen berücksichtigt werden. Die aktuellen Arbeiten zeigen dabei etwas bessere Abstreifergebnisse bei der Verwendung des mechanischen Werkzeugs gegenüber dem gasbasierten Werkzeug.

Die Zinkascheabscheidung kann somit im industriellen Maßstab durch Robotertechnik automatisiert werden. Neben Effizienzgewinnen lassen sich die gesundheitlichen Risiken für die Beschäftigten erheblich senken. Zukünftige Anwendungen bieten durch eine engere Kooperation von Mensch und Roboter noch weiteres Optimierungspotential sowie einen zusätzlichen Sicherheitsgewinn für die Mitarbeiter.