Gasöfen zum Schmelzen von Aluminium: Auswahlkriterien

Reflektierende Gas- und Schachtöfen sind in den meisten Aluminiumgießereien weit verbreitet, wie bei der Herstellung von Formguss, d.h. Aluminiumgussteile und -produkte, und bei der Herstellung von Aluminiumbarren, die dann beim Walzen aufgebracht werden, Strangpressen oder Schmieden von Aluminium, sowie Schmelzbarren für andere Gießereien.

Grundtypen von reflektierenden Öfen

Die Grundtypen von Gasreflexionsöfen zum Schmelzen von Aluminium sind [1]:

  • Reflektierende Trockenherd-Schmelzöfen (Trockenherd-Hallöfen), in dem das Metall vor, wie man schmilzt, auf der Einlaufschräge beheizt (Abbildung 1).
  • Reflektierende Schmelzöfen Badezimmertyp (Nassbad-Hallöfen), bei dem das Metall direkt in die Aluminiumschmelze geladen wird, in der Regel ohne Vorwärmung (Abbildung 2).
  • Schachtschmelzöfen (Schachtöfen) zeichnen sich durch eine erhöhte Energieeffizienz aus, da sie die Wärme der Abgase nutzen, um die beladene Aluminiumcharge zu erhitzen (Abbildung 3). Schachtöfen sind eine modifizierte Version von Hallöfen

Bild 1 - Gasreflektierender Trockenherd-Schmelzofen [2]

Bild 2 - Schmelzofen mit reflektierendem Gastank [3]

Bild 3 - Gasschachtschmelzofen [4]

Eine andere Art von Gasofen ist der Tiegelofen, die für kleine Gussmengen verwendet werden, sowie für Sonderlegierungen. Diese Öfen bedürfen einer gesonderten Betrachtung..

Zusatzfunktionen von Gasöfen

Jeder dieser drei Grundtypen von Öfen kann zusätzliche Optionen haben., sowie Elemente, typisch für andere Ofentypen, z.B:

  • alle drei Ofentypen können mit externen Schächten ausgestattet sein, um zerkleinerte Charge in die Schmelze einzubringen, z.B, Rasuren;
  • Schrägherdöfen und Schachtöfen können zusätzliche Beschickungsöffnungen haben, um die Beschickung direkt in die Schmelze zu geben;
  • Badöfen und Schachtöfen können am Ofeneingang eine breite Schwelle oder eine kurze geneigte Feuerstelle zum Vorwärmen von Barren und Massivholz haben, z.B, verpackter Schrott, und auch zum bequemen Entfernen von Schlacke von der Oberfläche der Schmelze;
  • alle Öfen können mit einem Schmelzrührsystem ausgestattet werden, wie im Ladebrunnen, also in einem Bad aus Aluminiumschmelze.

Stationäre und Kippöfen

Jeder der drei Grundtypen von Schmelzöfen kann in zwei Versionen hergestellt werden:

  • Stationäre Öfen: billiger und weniger bequem für die Metallausgabe, kann eine Kapazität von bis zu haben 100 Tonnen und höhere Schmelzkapazität 10 Tonnen pro Stunde.
  • Kippöfen: Teurer und bequemer für die Abgabe oder den Transfer von fertigem geschmolzenem Metall.

Reflektierende Trockenherd-Schmelzöfen

Bei Trockenherdöfen wird die beschickte Aluminiumcharge auf einen Schrägherd gestellt, die über dem Niveau der Metallschmelze liegt (Abbildung 4). Heiße Abgase passieren die Ladung und heizen sie schnell auf. Die Beschickung schmilzt und fließt allmählich vom geneigten Herd in die Kammer zur Ansammlung von geschmolzenem Metall, die daher oft als Sparschwein bezeichnet wird.


Bild 4 - Reflektierender Trockenherd-Schmelzofen.
Am Eingang des Ofens sind erhitzte Barren sichtbar [5]

Trockenherdöfen werden häufig verwendet, Wenn:

  • Der größte Teil der geladenen Aluminiumcharge ist das Schmelzen von Barren, einschließlich, groß, dh Shita-Elemente haben eine minimale Oberfläche.
  • Aluminiumladung enthält, z.B, Stahlelemente, sowie Reste von Gussformen, z.B, sandig. Der Aluminiumanteil der Charge wird auf dem Schrägherd geschmolzen und das Aluminium fließt den Schrägherd hinunter, und Fremdkörper bleiben auf dem Herd und werden mit Schabern aus dem Ofen entfernt.
  • Aluminiumcharge kann Wasser enthalten oder nass sein.

Vorteile von Trockenherdöfen:

  • Sicherheit. Die gesamte Ladung wird auf einem geneigten Herd geschmolzen, nicht unter der Oberfläche der Schmelze. Diese Erwärmung verhindert das Eindringen von Wasser in die Schmelze und die Explosionsgefahr..
  • Vermeidung von Schmelzkontamination. Ermöglicht das Entfernen von Fremdmaterialien aus der Ladung, kein Aluminium, Materialien, die auf der schiefen Feuerstelle bleiben.
  • Fähigkeit, fast kontinuierlich große Mengen an flüssigem Aluminium zu produzieren.

Nachteile von Trockenherdöfen:

  • Normalerweise haben diese Öfen zwei Schornsteine, einer über der schrägen Feuerstelle und der andere über dem Sparschwein. Dies erfordert eine Brennersteuerung für einen optimalen Betrieb [1].
  • Hoher Aluminiumabfall (7-12 %) beim Schmelzen in einer Ofenatmosphäre bei einer Temperatur 700-760 Grad Celsius. Abfall ist der Verlust von metallischem Aluminium, die in der geladenen Ladung enthalten war, durch Oxidation und Übergang zu Schlacke.
  • Niedrige Energieeffizienz. Der Wirkungsgrad dieses Ofentyps steigt mit zunehmendem Verhältnis des Volumens der beschickten Charge zu ihrer Außenfläche.. Höchste Effizienz wird beim Schmelzen großer Aluminiumbarren erreicht, manchmal bis zu wiegen 500 kg [1].

Reflektierende Bad-Schmelzöfen

In diesen Öfen stehen die Verbrennungsprodukte in direktem Kontakt mit der Oberfläche der Schmelze und die Wärmeübertragung erfolgt durch eine Kombination von Konvektion und Strahlung.. Diese Öfen haben ein niedrigeres Dach, um die Nutzung der Strahlungswärme zu maximieren, die effizienteste Art, Wärme auf Aluminium zu übertragen. Die Wärmequelle (Brenner) kann sich in einiger Entfernung befinden 45-60 mm vom Spiegel der Aluminiumschmelze. Je näher die Wärmequelle an der Oberfläche der Schmelze ist, desto schneller wird Wärme darauf übertragen [1].

Bild 5 - Schmelzofen mit Reflexionsbad [6]

Es werden reflektierende Schmelzöfen vom Badtyp verwendet, Wenn:

  • Aluminiumladung besteht hauptsächlich aus einer Legierung oder verwandten Legierungen, und der legierungswechsel ist selten.
  • Die Ladung kann eine große Oberfläche haben, und seine Komponenten haben unterschiedliche Größen, einschließlich, geringe Dicke, z.B, Schrott-Aluminium-Profile, sowie verpackter Aluminiumschrott.
  • Große Mengen an geschmolzenem Aluminium erforderlich.

Vorteile von reflektierenden Badöfen:

  • Die Installationskosten solcher Öfen sind im Vergleich zu Trockenherd- und Schachtöfen am niedrigsten.
  • Alles Metall schmilzt unter der Oberfläche der Aluminiumschmelze, was einen relativ geringen Abfall an metallischem Aluminium bietet 2-5 %.
  • Ermöglicht verschiedene Ergänzungen, abhängig von den Bedingungen der spezifischen Gießereien: eine kleine Unter- oder Schwelle zum Vorwärmen von Barren oder gestapeltem Schrott, Ladeschacht für zerkleinerten Schrott (Abbildung 5), Rühren der Schmelze, Fenster zum einfachen Entgasen usw.. P.

Nachteile von Badöfen:

  • Haben ein erhöhtes Verhältnis von Ofenkapazität für geschmolzenes Metall zur Schmelzrate des Ofens, was zusätzlichen Produktionsraum benötigt. Eine typische solche Beziehung ist 8 zu 1.
  • Wenn Schmelzbarren verwendet werden, dann müssen sie auf der Schwelle oder dem Herd vorgewärmt werden, bevor sie in die Schmelze geladen werden.
  • Das untere Dach des Backofens erfordert besondere Sorgfalt bei der Reinigung.

Schachtschmelzöfen

Schachtschmelzöfen haben eine höhere Energieeffizienz durch eine bessere Abdichtung des Ofens gegen das Eindringen von atmosphärischer Luft und die Verwendung von Abgasen zur Vorwärmung der Aluminiumcharge.

Die Aluminiumbeschickung läuft den Zuführschacht hinunter und erreicht allmählich die Schmelzzone, wo es unter dem Einfluss der Brenner schmilzt und ins Sparschwein fließt. Heiße Abgase strömen aus der Schmelzzone durch die Mine und erhitzen die Charge..


Bild 6 - Schachtschmelzofen [7]

Vorteile von Schachtöfen

  • Durch die Vorwärmung der Charge mit den Abfallprodukten der Verbrennung erreicht die Energieeffizienz 40-50 %.
  • Die fertige Aluminiumschmelze zeichnet sich durch einen reduzierten Gehalt an Wasserstoff und nichtmetallischen Einschlüssen aus. Dies wird durch die Trennung von Schmelzzone und Vorwärmzone erreicht.. Feuchtigkeit und andere Verunreinigungen verdunsten oder verbrennen noch in der Mine, und eine Trockencharge mit einem Minimum an Schadstoffen gelangt in die Schmelzzone.
  • Kein übermäßiger Kontakt der Schmelze mit Luftsauerstoff, was einen reduzierten Abfall von metallischem Aluminium (0,8-1,5 %).

Nachteile von Schachtöfen

  • Zum, damit Schachtöfen einen geringen Abfall und eine hohe Energieeffizienz erreichen, sie müssen streng nach den für sie festgelegten Regeln betrieben werden, einschließlich der Verwendung einer ausreichend dichten Aluminiumladung. Bei einer leichten und dünnwandigen Beschickung können Schachtöfen einen erhöhten Aluminiumabfall und eine verringerte Energieeffizienz aufweisen..
  • Schachtöfen haben eine recht große Bauhöhe (ca 6 m), die nicht für alle Industrieräume geeignet ist.
  • Die feuerfeste Auskleidung am Boden des Schachtofenbeschickungsschachts ist erhöhten mechanischen Stoßbelastungen ausgesetzt, was zu häufigeren Wartungen führt.
  • Schachtöfen sind schwieriger zu bedienen, als reflektierend und erfordern daher zusätzliches Fachpersonal.

Eigentumsgesamtkosten

Für die optimale Ofenwahl zum Schmelzen von Aluminium wird derzeit das Konzept der „Total Cost of Ownership“ (TCO) verwendet [8]. Dieser Ansatz besteht darin, die Summe aller Ausgaben zu berechnen, die mit dem Erwerb verbunden sind, Einstellung, Betrieb und Wartung der betreffenden Geräte. Das Ergebnis sind die vollen Kosten für die Herstellung einer Tonne fertig geschmolzenen Aluminiums unter Berücksichtigung aller Kosten über die Lebensdauer des Ofens..

Diese Gesamtkosten für fertiges geschmolzenes Aluminium umfassen:

  • Kapitalkosten für den Kauf und die Installation des Ofens selbst, sowie dazugehörige Ausrüstung:
    – Backen
    – Ladesystem für Aluminiumladung
    – Aluminiumschmelze-Austragssystem
    – Instrumente und Instrumente zur Ofenkontrolle und Schmelzequalitätskontrolle

Betriebskosten für die Ofen- und Schmelzaluminiumproduktion:

  • – Energieressourcen: Gas, Elektrizität, flüssigen Brennstoff. Die Energieeffizienz ist abhängig vom Ofentyp (Schrägherd, Badezimmertyp, Mine) und Nennschmelzrate.
    – Arbeitskosten: Gehälter von Arbeitern und Managern, einschließlich, Wartungspersonal. Kommt darauf an, einschließlich, von der Komplexität der Ausrüstung, Häufigkeit seiner Wartung, die erforderliche Personalqualifikation.
    – Material: Materialkosten, die beim Betrieb des Ofens verbraucht werden, z.B, die Kosten der Aluminiumgebühr; Menge an Aluminium, die beim Schmelzen im Ofen durch Oxidation verloren geht, und bleibt auch in der Schlacke; Flussmittel usw.. P.

Die Anwendung dieses Ansatzes auf die Analyse von Reflexions- und Schachtschmelzöfen führte zu eher unerwarteten Schlussfolgerungen [8]:

  • Bei der Entscheidung, einen neuen Schmelzofen zu installieren, muss nicht nur der Kaufpreis berücksichtigt werden., dann auch die vollen Kosten für das Schmelzen einer Tonne Metall unter Berücksichtigung aller Vergangenheit, gegenwärtige und zukünftige Ausgaben (TCO).
  • Eingerichtet, dass die Kapitalkosten für den Kauf des Ofens nur die vollen Kosten einer Tonne Metall betragen können 3-5 %.
  • Gesamtkosten von Aluminium, in Schacht- und Hallöfen erschmolzen, unterscheidet sich geringfügig [7].
  • Schmelztechnologie, die im Ofen verwendet wird, wirkt sich stark auf die Kosten für Material und Energieressourcen aus. Anerkannt, dass Schachtöfen derzeit die effizientesten Gasschmelzanlagen mit hohem thermischen Wirkungsgrad (40-48 %) und geringer Abfall (1-2%).
  • Obwohl, dass Schachtöfen, wie es gilt, haben eine begrenzte technologische Flexibilität, sie sind die wichtigsten Schmelzgeräte eines mittelständischen Formgussunternehmens.
  • Andererseits, stellt sich heraus, wie hoch sind die arbeitskosten, die für den Betrieb von Schachtöfen erforderlich ist, etwa doppelt so hoch, als bei reflektierenden Öfen. Dies liegt an der höheren Komplexität von Schachtöfen., was die Einbeziehung zusätzlicher Spezialisten erfordert, um sie zu verwalten und zu warten.
  • Gleichzeitig, Materialkosten, die reflektierende Öfen verbrauchen, ist deutlich höher, als Schachtöfen, hauptsächlich durch höhere Aluminiumverluste beim Schmelzen in Hallöfen, sowie ihre geringe Energieeffizienz.

Quellen:

  1. ASM-Handbuch, Volumen 15: Casting (2008)
  2. https://dynamofurnaces.com
  3. Aluminiumtechnologien / DR. YUCEL BIROL – Universität Dokuz Eylul, Truthahn – 29.09.2015
  4. https://www.strikowestofen.com
  5. https://www.bjholland-equip.com
  6. https://www.andritz.com
  7. http://www.marconiforni.com
  8. Investitions- und Managemententscheidungen beim Aluminiumschmelzen: Ein Gesamtbetriebskostenmodell und praktische Anwendungen / EIN. Bacchetti, S. Bonetti, M. Perona und N. Saccani – Nachhaltigkeit 2018, 10, 3342