In diesem Artikel möchte ich ein Thema besprechen, das in engem Zusammenhang mit der Leistungsfähigkeit und Effizienz von Vakuumöfen steht: Vakuumverlust. Beim Arbeiten mit Ofensystemen ist es von entscheidender Bedeutung, die unterschiedlichen Methoden zur Lokalisierung von Inertgas-Leckagen zu kennen. Lassen Sie uns also anschauen, wie wir die Ursachen für die Leckagen herausfinden können, welche Instrumente wir dabei anwenden sollten und welche beiden Bedingungen zur Leckerkennung erforderlich sind.

Ofenleckagen: Wie man erfolgreich Vakuumlecks lokalisiert

Vakuumöfen sind sehr komplexe Geräte, und vor dem Zusammenbau müssen alle Bestandteile einzeln getestet werden.

Die Vakuumkammer besteht aus einem Stahlzylinder (Behälter) mit einer Zugangsklappe und einer Ummantelung, die zur Zirkulation des Kühlwassers auf alle Teile angewendet ist. Da es sich um einen strombetriebenen Ofen handelt, mit einer Hochtemperaturkammer und Elastomerdichtungen, halten das Wasser zur Kühlung des Behälters und die damit verbundenen Komponenten die einzelnen Oberflächen auf einer niedrigen Temperatur (weniger als 150°C).

Der Dichtigkeitstest des vollständigen Ofens muss in kaltem Zustand erfolgen, wobei das Eindringen von Wasser in die Ummantelung zu vermeiden ist. Dies würde die Suche nach undichten Stellen unmöglich machen, denn das Wasser würde auch mögliche Mikrolöcher blockieren und durch die Verdampfung, aufgrund des Vakuumeffekts, könnte es stellenweise gefrieren, wodurch das Passieren des Testgases behindert werden würde.

Es ist ziemlich einfach, schon frühzeitig zu erfahren, ob es Leckagen im System gibt. Falls ein Mikroleck vorhanden ist, erhalten die behandelten Werkstücke während des Wärmekreislaufs ein farbiges Schimmern und nicht das weiße Matt, das für vakuum-behandelte Materialien üblich ist. Metallische Oberflächen von Werkstücken, die bei hohen Temperaturen in einem Vakuum behandelt werden, sind leider extrem reaktionsfreudig und fangen während der Abkühlphase selbst kleinste Spuren von Sauerstoff ein, und zwar in einem Temperaturbereich, in dem sich Oxide normalerweise bilden (der Einfachheit halber, bei ungefähr 600°C). Falls der Ofen weiterhin benutzt wird, können sogar die Isolierung der Heizkammer und das Heizelement selbst angegriffen werden.

• Falls die Heizkammer mit einer Grafitisolierung ausgestattet ist, verliert diese ihre Konsistenz und Masse und damit auch ihre Isolierfähigkeit.
• Falls die Kammer aus Metall besteht, mit mehreren reflektierenden Molybdän-Schirmen, entlang des Heizelements, bildet das Vorhandensein von Sauerstoff (Luft) oder Wasserdampf zunächst einen Oxidschatten über der reflektierenden Abschirmung, eine Situation, welche die thermische Gleichmäßigkeit des Ofens beeinträchtigt, wobei besagte Oxide anschließend verdampfen, was wiederum dazu führt, dass das Material dünner wird.

Eine der Komponenten, an denen sehr leicht Leckagen entstehen, ist der Wärmetauscher, der für das Löschen verantwortlich ist, und damit für das Ergebnis der Wärmebehandlung. Dieses thermisch hoch beanspruchte Bauteil hat seine eigene Funktion, und zwar die Abkühlung des druckbeaufschlagten Gases, doch aufgrund des Zusammenspiels der hohen Temperaturen und der Wasserzirkulation können sich im Laufe der Zeit infolge von Korrosionserscheinungen (Beschaffenheit des Wassers) Mikrolecks von Wasser bilden oder es können sich aufgrund von thermischen Belastungen im Rohrbündel Expansionen bilden.

Ein weiterer Umstand, der zum Lufteintritt führen kann, (also Luft tritt in die Vakuumkammer ein) ist, wenn die Thermoelemente (Belastung oder Einstellung) ersetzt werden. Falls dieser Austausch von weniger erfahrenem Personal durchgeführt wird, besteht das Risiko, dass die Dichtung beschädigt wird, was wiederum zu einer Leckage führt.

Überwachung von Ofenleckagen: die notwendigen Instrumente

Dies ist ein Helium-Leckanzeiger. Dabei handelt es sich um ein Instrument zur Lokalisierung von Leckagen. Außerdem kann damit das Ausmaß der festgestellten undichten Stellen ermittelt werden, indem der Heliumfluss durch die Öffnung gemessen wird. Das Signal stellt eine Messung der Leckage zur Verfügung, welche in mbar pro Liter/Sek. angegeben wird. Dieses Instrument ist sehr messempfindlich und ist zur Messung von Leckagen im E-12 mbar pro Liter/Sek. in der Lage.
Die Tests müssen von Fachpersonal oder von speziell qualifizierten und autorisierten Personen durchgeführt werden. Zu diesem Zweck hat sich unser nordamerikanischer Partner Furnacare dazu verpflichtet, Fachpersonal einzusetzen, um intensive Instandhaltungsmaßnahmen durchzuführen, einschließlich der geeigneten Dichtheitsprüfungen bei Vakuumöfen, um die Einhaltung der vorgeschriebenen Standards sicherzustellen.

Helium wird verwendet, weil es das kleinste Atom überhaupt ist und daher auch dort eindringen kann, wo andere Gase nichts entdecken würden. Außerdem ist es ein Element, das normalerweise nicht in der Umgebung vorhanden ist, und daher ist seine Feststellung weniger anfällig für Hintergrundstörungen. Im Unterschied zu Wasserstoff, das ebenfalls zu diesem Zweck verwendet werden könnte, ist Helium ein Inertgas und kann daher einfacher und sicherer gehandhabt werden.

Schauen wir uns nun an, wie mit diesem Instrument eine Dichtheitsprüfung durchgeführt wird.

Wie Dichtheitsprüfungen in einem Vakuumofen durchgeführt werden

Es gibt zwei weitere Bedingungen zur Durchführung von Dichtheitsprüfungen in einem Ofen:

1. Die weniger empfindliche Methode besteht darin, wenn das druckbeaufschlagte System versiegelt wird und außerhalb ein „Schnüffler“ eingesetzt wird, um etwaige Leckagen aufzuspüren. Da Helium (im Vergleich zur Luft) ein sehr leichtes Gas ist, tendiert es zum Aufsteigen. Aus diesem Grund muss die Suche nach Leckagen an der untersten Stelle beginnen und dann langsam nach oben gehen. Auf diese Weise wird die Suchempfindlichkeit reduziert, weil der Leckanzeiger nicht mit der zu prüfenden Anlage verbunden ist und weil er mit dem Instrument in einem Vor-Vakuum arbeitet (Ansaugeingang zwischen der Turbomolekularpumpe und der Vorvakuumpumpe). Diese Methode wird normalerweise angewendet, wenn die Testkomponenten bei normalem Betrieb mit Druck beaufschlagt werden und im Innern der Vakuumkammer installiert sind, beispielsweise ein Rohrbündelwärmetauscher vor der tatsächlichen Installation.
2. Die andere Bedingung, unter der der Test durchgeführt werden kann, besteht darin, das System unter Vakuum zu setzen und den Leckanzeiger direkt mit der internen evakuierten Umgebung zu verbinden und Helium um den Behälter herum zu sprühen. Aus den gleichen Gründen wie oben dargelegt, muss die Dichtheitsprüfung an der höchsten Stelle beginnen und langsam nach unten gehen. Auf diese Weise wird das Risiko reduziert, dass das Helium nur an den Stellen aspiriert, an denen es aufgesprüht wird, weil angenommen wird, dass Leckagen über der aktuellen Stelle bereits lokalisiert und eliminiert wurden.

Zur Durchführung der Dichtheitsprüfung der Kammer unter Vakuum ist diese Methode am besten geeignet. In diesem Fall und nachdem die Dichtheitsprüfung von außen, also außerhalb des Behälters, durch Aufsprühen von Helium auf alle möglichen undichten Stellen durchgeführt wurde, wird die Ummantelung mit Druck beaufschlagt, um zu überprüfen, ob der Behälter keine Leckagen aufweist. Anschließend wird der Wärmetauscher mit Druck beaufschlagt, um ihn ebenfalls auf undichte Stellen zu untersuchen.

Falls dieser Vorgang ohne die notwendigen Warteschritte durchgeführt wird, kann das Helium leicht aspiriert werden und so das Instrument saturieren. Daher ist es wichtig, immer wieder zu warten, damit sich der kontaminierte Messkopf von verbleibenden Heliumspuren reinigen kann.

Nicht alles funktioniert immer so leicht wie beschrieben. Bei größeren Systemen erreicht das Signal vom Instrument niemals die Höchstwerte, zeigt jedoch bei Nichtvorhandensein von Leckagen höhere Werte an. Falls das Signal kurzfristig keine Veränderungen anzeigt, ist dies schon ein Hinweis für eine gute Dichtung. Ein Problem entsteht jedoch dann, wenn unterschiedliche Signale beobachtet werden, die einen Hinweis auf extrem kleine Leckagen darstellen können, falls sie sich im Bereich von 1E-8 mbar pro Liter/Sek. bewegen. In diesem Fall ist es extrem schwierig, die Messungen des Leckanzeigers zu interpretieren. Nur ein Experte kann beurteilen, ob die Ungewissheit durch eine Entgasung des Messkopfes oder durch ein tatsächliches Mikroleck verursacht wurde.

Ein undichter Ofen wird wahrscheinlich nicht optimal laufen. Daher ist es sehr wichtig, dass Sie sich um die ordnungsgemäße Instandhaltung Ihres Vakuumofens kümmern. Es müssen einige grundlegende Instandhaltungsverfahren durchgeführt werden, um die einwandfreie Funktionsfähigkeit Ihres Vakuumofens zu gewährleisten. Möchten Sie uns vielleicht berichten, ob bei Ihnen Leckagen oder andere Probleme aufgetreten sind? Vielleicht ist es auch für andere Nutzer ganz nützlich, mehr über Leckagen in Vakuumöfen zu erfahren.