Primäres Ziel des AIF-IGF-Projekts „InPro-Gas“ war es, ein System zu entwickeln, das anhand der Gaskonzentrationen innerhalb eines Magnesiumschmelzofens den optimalen Volumenstrom an Schutzgas (in diesem Projekt R134a und N₂) automatisch und vom Bediener unabhängig einstellt und somit fehlerhafte Dosierungen vermeidet. Kritische Situationen, die zum Magnesiumbrand führen könnten, Schmelzeparameter innerhalb und außerhalb des Ofens, in der Umgebung des Bedieners sowie an korrodierten Kühlleitungen gemessen. Auf diese Weise soll der Betrieb von Magnesiumschmelzanlagen sicherer und effizienter gemacht und Anwendungshürden für klein- und mittelständische Unternehmen (KMU) im Bereich der Magnesiumschmelztechnologie reduziert werden. Dazu wurden zahlreiche Messungen der Sauerstoff-, Kohlenstoffmonoxid-, Kohlenstoffdioxid-, Stickstoffmonoxidsowie Stickstoffdioxidgehalte (O₂, CO, CO₂, NO, NO₂) in Magnesiumschmelzanlagen bei unterschiedlichen Betriebs- und Schutzbegasungseinstellungen durchgeführt. Anhand der Messergebnisse wurde ein Prototyp eines Schutzgasregel- sowie Brandfrühwarnsystems für den Einsatz in der Magnesiumschmelztechnologie entwickelt und in den Schmelzprozess einer Frech-DAM-500FWarmkammerdruckgießzelle (580 t Schließkraft, 520kg AZ91 Schmelzeinhalt) integriert. Das System überwacht dauerhaft die Konzentrationen der genannten Gase in der Atmosphäre zwischen dem Ofendeckel und der  Schmelzbadoberfläche und gleicht diese mit in Schmelzversuchen ermittelten Sollwerten ab. Anhand der Abweichung zwischen Ist- und Sollwert wird der Volumenstrom des eingebrachten Schutzgases erhöht oder verringert, bis ein Optimum erreicht ist. So lassen sich eine ggf. umwelt- und gesundheitsschädliche Überbegasung des Magnesiumofens sowie das Austreten des korrosiven oder giftigen Schutzgases verhindern. Ausfallende, verstopfte oder anderweitig beschädigte Schutzgaszuführungen können innerhalb von wenigen Sekunden, vor Einsetzen der Magnesiumoxidation, detektiert und signalisiert werden. Das System leitet selbstständig Gegenmaßnahmen ein, warnt das Bedienpersonal aber dennoch durch optische und akustische Signale. Sollte es zu einer Rauchbildung innerhalb des Ofens, z. B. aufgrund verschlissener Tiegeldeckel, Undichtigkeiten, zu hoher Schmelztemperaturen oder eines zu geringen Schutzgasvolumenstroms kommen, wird dies durch die Messung der Verbrennungsgase CO, CO₂, NO und NO₂ detektiert. Infolge dessen werden automatisierte Gegenmaßnahmen, je nach Rauchbildung in Form einer erhöhten oder einer Notbegasung eingeleitet. Dies soll die Gefahr starker Oxidation bis hin zu Magnesiumbränden in Magnesiumschmelzprozessen reduzieren, die Ressourceneffizienz erhöhen sowie die Schutzgaskosten senken. Somit kann ein Beitrag zur Nachhaltigkeit und zum weiteren Abbau von Anwendungshürden für KMU zum Einsatz von Magnesium aufgrund stetig steigender Anforderungen an die Prozess- und Arbeitssicherheit sowie sich allgemein verschärfender Emissionsrichtlinien geleistet werden. Bild 3 stellt die Einbettung des Magnesiumschmelzofens und der Schutzgasmischstation in ein gesamtheitliches System dar. 

Zunächst wurden in Schmelzversuchen an einem elektrisch widerstandsbeheizten Laborofen der Firma Nabertherm GmbH in einem nickelfreien Edelstahltiegel 7 kg AZ91-Magnesiumlegierung geschmolzen. Bei variierten Schmelzetemperaturen und Schutzgaseinstellungen wurden jeweils die Gaskonzentrationen sowie die Schmelze- und Gastemperaturen aufgezeichnet. Die Vorversuche wurden mit einem Schutzgasgemisch von 99,8 Vol.-% N₂ und 0,2 Vol.-% R134a durchgeführt. In Extremfalluntersuchungen wurde die Schutzgaszufuhr von 15 l / h bis auf ein Minimum von 0 l / h reduziert und eine Rauchbildung provoziert. Aufgrund des geringen Tiegelvolumens wurde eine druckneutrale Gasrückführung entwickelt, die das angesaugte und analysierte Gas zurück in den Tiegel leitet, um eine Verfälschung aufgrund des kleinen Volumens zu verhindern. Diese Vorversuche dienten zum einen der Verifizierung der These, dass sich anhand der Gaskonzentrationen in der Gasphase oberhalb der Schmelze eine Aussage über den Zustand der Schmelzbadoberfläche treffen lässt. Zum anderen sollten die Messbereiche sowie die für die Regelung und das Brandfrühwarnsystem relevanten Gase, deren Konzentrationen und Bildungsgeschwindigkeiten ermittelt werden. Bild 4 zeigt die Schmelzbadoberfläche bei einer Metalltemperatur von 630 °C und die Rauchgasbildung bei Abstellen der Schutzgasversorgung. Es ist zu erkennen, dass die vermehrte Bildung der Stickoxide NO und NO₂, bzw. der summierte Wert NO_x, bereits bei der Reduktion des Volumenstroms von 15 auf 10 l / h zu messen ist und damit deutlich vor der Entstehung einer Rauchbildung im Tiegel und einem Austreten des Rauchs aus dem Ofen zu detektieren ist. Das Frühwarnsystem könnte somit deutlich früher alarmieren und Gegenmaßnahmen einleiten, als der Anlagenbediener die Rauchbildung bemerken kann.

In zahlreichen Schmelzversuchen am MB-500-Schmelz- und Warmhalteofen der Frech-DAM-500F (Bild 5) des Fachgebiets Gießereitechnik GTK der Universität Kassel wurden für diverse Parametervariationen die Gaskonzentrationen innerhalb des Ofens gemessen.

Der Tiegelinhalt lag bei 520 kg Magnesiumlegierung AZ91 und die standardmäßige Schutzbegasung, bestehend aus 99,8 Vol.-% N₂ und 0,2 Vol.-% R134a, bei 450 l / h. Daraus wurden Sollwerte für bestimmte Ofeneinstellungen abgeleitet. Bild 6 zeigt die Auswertung einer Versuchsreihe für schrittweise reduzierte Schutzgasmengen, ebenfalls mit der Schutzgaszusammensetzung 99,8 Vol.-% N₂ und 0,2 Vol.-% R134a.

Gemessen wurde an zwei unterschiedlichen Stellen des Warmkammerofens. Die Messposition 1 (MP1) befindet sich im vorderen Bereich des Ofens in der Nähe des Bedieners und die Messposition 2 (MP 2) mittig über dem Ofen. Innerhalb des Projekts wurden mehrere Positionen ausgewertet, um lokale Unterschiede innerhalb des Ofens festzustellen. Es ist zu erkennen, dass es sich solange um ein eingeschwungenes System handelt, bis der Volumenstrom eine Grenze unterschreitet. Diese liegt bei einer Metalltemperatur von 620 °C bei etwa 300 l / h, unterhalb konnte ein verstärktes Oxidwachstum festgestellt werden.

Weitere Messreihen zur Untersuchung der Auswirkungen unterschiedlicher Reaktivgaskonzentrationen ergaben, dass erhöhte Reaktivgasanteile zu verstärkter Bildung von Kohlenstoffmonoxid und -dioxid führen. Für Konzentrationen oberhalb von 0,5 Vol.-% R134a konnte bis zu einem Volumenstrom von 250 l / h keine Rauchgasbildung festgestellt werden (Bild 7), allerdings stiegen die Konzentrationen von CO und CO₂ deutlich an. Diese Art der Überdosierung kann die Schmelze zwar vor Oxidation schützen, führt aber zu erhöhten Korrosionserscheinungen, stark erhöhten Begasungskosten und zu gefährlich erhöhten Kohlenstoffmonoxidgehalten. Die Messung der Flusssäurekonzentration innerhalb des Tiegels ergab, dass für alle Begasungsvarianten, mit Ausnahme der Begasung mit 0,1-Vol.-% R134a, Flusssäuregahlte von > 90 ppm erreicht wurden. Dies war die Grenze des messbaren Bereichs der verwendeten Dräger-Kurzzeitröhrchen. Parallele Messungen in direkter Ofenumgebung und im Arbeitsbereich des Bedieners ergaben bei keiner Parametereinstellung messbare Gehalte an Flusssäure. 

Auf Basis der Messergebnisse wurde ein Prototyp des Überwachungssystems entwickelt, bestehend aus:

• einer zentralen Messeinheit, welche die Gasgehalte (O₂, CO, CO₂, NO, NO₂), die Gastemperatur und den Druck im Schmelzofen mit einer Messfrequenz von 1 Hz überwacht,
• einem Analogausgangsmodul zur Weitergabe der Analogsingale,
• einem Schaltschrank mit integriertem Bedienpanel, Signalleuchten und –hupen,
• einer SPS zur Bedienung, Verarbeitung und Anzeige der Messignale sowie zur Ermittlung des optimalen Schutzgasvolumenstroms.

Der Prototyp (Bild 8) ist über eine Ethernet-Schnittstelle direkt mit einer industriellen Schutzgasmischstation der Firma ASKI Gastechnik GmbH verbunden und gibt dieser automatisiert den für den überwachten Kreis notwendigen Volumenstrom vor.

Die Funktion des Prototyps wurde in unterschiedlichen Schmelzversuchen untersucht. Bild 9 zeigt einen beispielhaften Betrieb bei einer geforderten Schutzgaseinsparung von 10 %. Als Regelparameter wurden ein Sauerstoffgehalt von 1,5 Vol.-% und jeweils maximal 15 ppm NO bzw. NO₂ eingestellt. Es ist zu erkennen, dass das System bei der Starteinstellung von 450 l / h zunächst den Volumenstrom erhöht und es zu einem Überschwingen kommt. Innerhalb weniger Minuten pendelt sich der Schutzgasvolumenstrom bei durchschnittlich 400 l / h ein und der Sauerstoffgehalt von 1,5 Vol.-% wird über die gesamte Messdauer gehalten. Die im Projekt geforderte Einsparung von 10 % (45 l / h) kann mit den dargestellten Einstellungen erreicht werden, ohne dass mit zusätzlicher Oxidation zu rechnen ist. Versuche mit weiteren Parametereinstellungen haben gezeigt, dass höhere Schutzgaseinsparungen möglich sind, teilweise aber mit zusätzlicher Oxidation einher gehen. Dies hängt maßgeblich von der Dichte des Tiegeldeckels, der gewählten Schmelzetemperatur und der Betriebsart des Ofens ab. 

Über den Projektrahmen hinaus wurde die Thematik CO₂-Footprint des Magnesium-Druckgießprozesses inklusive Schmelzbetrieb betrachtet. Hier sollen zunächst die Ergebnisse bezogen auf das im Projekt genutzte Reaktivgas R134a vorgestellt werden. R134a besitzt, wie bereits beschrieben, 1430 (kg CO₂eq / kg R134a) (GWP). Davon entfallen nach Daten aus der Probas-Datenbank etwa 3,34 (kg CO₂eq / kg R134a) auf die Herstellung des flüssigen R134a [15]. Nach Untersuchungen der United States Environmental Protection Agency zerfällt R134a in einem Kaltkammerofen mit einer Schmelzetemperatur von ca. 680 °C zu 98 % [16]. Berechnet man die Zerfallsprodukte eines Mols C2H2F4 (R134a) bei einer Temperatur von 550 °C mit der Software factsage der Firma GTT-Technologies, erhält man die im Bild 10 dargestellten Gase.

Wie die Messungen am Magnesiumschmelzofen nahelegen, zerfällt das Gas hauptsächlich in Flusssäure. Summiert man nun die einzelnen CO₂-Äquivalente der Zerfallsprodukte erhält man 49,72 (kg CO₂eq / kg R134a_zerfallen) anstelle von 1430 (kg CO₂eq / kg R134a). Rechnet man dies nun auf eine Betriebswoche des Magnesiumschmelzofens bei einer Begasung von 450 l / h hoch und addiert das CO₂-Äquivalent zur Herstellung von R134a (3,34 kgCO₂eq / kgR134a) und des Trägergases Stickstoff (0,09 kg CO₂eq / kg N₂), welcher zuvor mit der Software Gabi berechnet wurde, so erhält man für eine Betriebswoche des Magnesiumschmelzofens ein CO₂-Äquivalent von 31,95 (kg CO₂eq / Betriebswoche). Bild 11 zeigt die Auswirkungen der CO₂-Abschätzung, wenn man mit bzw. ohne das Zerfallen des Gases rechnet, sowie die CO₂-Einsparungen für eine reduzierte Begasung (250 l / h).